JPS6124585B2 - - Google Patents

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JPS6124585B2
JPS6124585B2 JP55171041A JP17104180A JPS6124585B2 JP S6124585 B2 JPS6124585 B2 JP S6124585B2 JP 55171041 A JP55171041 A JP 55171041A JP 17104180 A JP17104180 A JP 17104180A JP S6124585 B2 JPS6124585 B2 JP S6124585B2
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JP
Japan
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magnetic pole
magnetic
gap
permanent magnet
pole piece
Prior art date
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Application number
JP55171041A
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Japanese (ja)
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JPS5797963A (en
Inventor
Raji Kurudeibu
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Ferrofluidics Corp
Original Assignee
Ferrofluidics Corp
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Publication date
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Publication of JPS6124585B2 publication Critical patent/JPS6124585B2/ja
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  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁性流体による回転シヤフトのシール
方法及び装置に係る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for sealing a rotating shaft with a magnetic fluid.

回転シヤフトをシールするのに、シヤフトの回
りに単段または多段の磁性流体O輪シールを配す
る磁性流体型シール装置は周知である(例えば、
多段式磁性流体回転シヤフトシールについて記載
する米国特許第3620584号参照)。
Ferrofluidic sealing devices are well known in which a single or multistage ferrofluid O-ring seal is placed around the shaft to seal a rotating shaft (e.g.
(See U.S. Pat. No. 3,620,584, which describes a multi-stage magnetic fluid rotating shaft seal).

シヤフトの一側の環境をシヤフトの他側の環境
の汚染から保護するため、単段または多段の磁性
流体が密封シールとして使用されている。磁性流
体型の密封シールは、特にコンピユータデイスク
駆動スピンドルに関して、外部環境内の汚染物が
メモリデイスク領域に達するのを防ぐために有用
である。
To protect the environment on one side of the shaft from contamination of the environment on the other side of the shaft, single or multi-stage ferrofluids are used as hermetic seals. Ferrofluidic type hermetic seals are useful, particularly with respect to computer disk drive spindles, to prevent contaminants in the external environment from reaching the memory disk area.

コンピユータの分野で現在使用されている1つ
の標準的な磁性流体密封シールは、スピンドルシ
ヤフトの回りを取り巻くように形成された環状永
久磁石を2個の同一の磁極片エレメント間に挾ん
でなるものである。この磁極片エレメントは、永
久磁石の一方および他方の磁極端部と接触して磁
束が連続する関係にある。磁極片エレメントの内
周面は、シヤフト表面との間に例えば約0.05〜
0.25mm(2〜10ミル)の小ギヤツプを形成するよ
うに、シヤフトまたはスピンドルと非接触関係に
ある。磁性流体が配されており、透磁性シヤフト
またはスピンドルの挿入の際、この磁性流体がギ
ヤツプ内に磁気的に保持され、単段または複数段
のO輪を形成し、これがシヤフトの回りに磁性流
体の密封シールを形成するのに役立つ。
One standard ferrofluidic seal currently used in the computer field consists of an annular permanent magnet formed around a spindle shaft and sandwiched between two identical pole piece elements. be. The magnetic pole piece element is in contact with one and the other magnetic pole end of the permanent magnet so that the magnetic flux is continuous. For example, the inner peripheral surface of the pole piece element has a distance of about 0.05 to
It is in a non-contact relationship with the shaft or spindle so as to form a small gap of 0.25 mm (2-10 mils). A ferrofluid is disposed, and upon insertion of a magnetically permeable shaft or spindle, the ferrofluid is magnetically retained within the gap, forming a single or multi-stage O-ring, which causes the ferrofluid to flow around the shaft. helps form a hermetic seal.

永久磁石を形成するには種々の種類の磁性材料
を使用できるが、この材料は、普通は、約2〜
3.8mm(約80〜150ミル)の長手方向厚さを有する
焼結ないしボンドセラミツク材料である。磁極片
エレメントは、磁性ステンレススチール(例えば
400シリーズ)のような透磁性材料より成り、約
0.6〜2mm(約25〜80ミル)の厚さ範囲を有す
る。標準的密封シールは、利用者の要求にしたが
つて、上述のように提供されるか、あるいは例え
ば接着または差込み組立技術によりアルミニウム
またはステンレススチール(例えば300シリー
ズ)のような非磁性ハウジング内に配置されて提
供される。
Although various types of magnetic materials can be used to form permanent magnets, the materials typically have a
It is a sintered or bonded ceramic material having a longitudinal thickness of 3.8 mm (approximately 80 to 150 mils). The pole piece elements are made of magnetic stainless steel (e.g.
400 series) and is made of a magnetically permeable material such as
It has a thickness range of 0.6 to 2 mm (approximately 25 to 80 mils). Standard hermetic seals may be provided as described above or placed within a non-magnetic housing such as aluminum or stainless steel (e.g. 300 series) by gluing or bayonet assembly techniques, depending on the user's requirements. provided.

密封シールは、磁極片の内周面とスピンドルシ
ヤフトとの間の環状ギヤツプ領域内に精確に適量
の磁性流体を配することにより形成される。典型
的には磁性流体は、フルオロカーボン、ポリフエ
ニルエーテル、炭化水素、ジエステル液体および
類似の低蒸気圧液体のような低蒸気圧キヤリアを
含んでおり、それにより、O輪シールを形成する
磁性流体の質量損失を非常に少なくし、長い動作
寿命の密封シールを提供する。例えば、標準的磁
性流体密封シールは、一般に、3600rpmのコンピ
ユータデイスク駆動スピンドル速度で最高4.6cm
(1.8インチ)のシヤフト直径の場合、適度の温度
条件下で数年間持ちこたえられる。使用される磁
性流体の粘度および飽和磁化は種々変えられる
が、これらは普通、それぞれ20〜500cpおよび
100〜400ガウスの範囲内にある。
The hermetic seal is formed by placing precisely the right amount of magnetic fluid within the annular gap region between the inner peripheral surface of the pole piece and the spindle shaft. Typically, ferrofluids include a low vapor pressure carrier such as fluorocarbons, polyphenyl ethers, hydrocarbons, diester liquids, and similar low vapor pressure liquids, thereby allowing the ferrofluid to form an O-ring seal. Provides a hermetic seal with very low mass loss and long operating life. For example, standard ferrofluidic seals typically run up to 4.6 cm at computer disk driven spindle speeds of 3600 rpm.
(1.8 inches) shaft diameter will last for several years under moderate temperature conditions. The viscosity and saturation magnetization of the ferrofluids used vary, but these are typically between 20 and 500 cp and
It is in the range of 100-400 Gauss.

特に、高温度条件下、例えば50℃以上の高周囲
温度、3600rpmを越えるスピンドル速度及び大シ
ヤフト直径またはこれら条件の組合せ条件下で、
磁性流体密封シールの有効動作寿命を延長するこ
とが望まれている。
Particularly under high temperature conditions, e.g. high ambient temperatures above 50°C, spindle speeds above 3600 rpm and large shaft diameters or a combination of these conditions.
It is desirable to extend the useful operating life of ferrofluidic seals.

本発明は、寿命の長い磁性流体型回転シヤフト
シール方法ならびにこの種のシール装置に関す
る。特に、本発明は、コンピユータデイスク駆動
スピンドルのシールに使用し、それを長期間にわ
たりシールするのに特に有用な磁性流体密封シー
ルに関する。
The present invention relates to a long-life magnetic fluid rotary shaft sealing method and a sealing device of this type. More particularly, the present invention relates to ferrofluidic seals that are particularly useful for use in and long-term sealing of computer disk drive spindles.

標準的磁性流体密封シールにおいては、2つの
基本的な設計考慮事項があることが分つた。1つ
は、シール圧力を決定する磁性であり、他の1つ
はシール寿命を決定する熱の発生である。
It has been found that there are two basic design considerations in standard ferrofluidic seals. One is magnetism, which determines seal pressure, and the other is heat generation, which determines seal life.

一般に、現在の磁性流体密封シールの全圧力容
量は水柱約76〜150cm(約30〜60インチ)の範囲
で、これが2つの磁極片の間にほぼ等しく分割さ
れる。普通のデイスク駆動装置への適用において
必要とされる圧力条件は、ほんの水柱約13cm(5
インチ)であり、したがつてシールは圧力に関し
ては大きな安全限界を有している。実際に、1つ
の磁性流体O輪シールでさえ、必要とされる圧力
容量を産み出すのに十分以上である。しかしなが
ら、現在の標準設計においては、閉磁路乃至閉磁
束路が完全に完成されるように2つの磁極片が使
用される。
Generally, the total pressure capacity of current ferrofluidic seals ranges from about 30 to 60 inches of water, which is divided approximately equally between the two pole pieces. The pressure conditions required in a typical disk drive application are only about 13 cm (5 cm) of water.
inches) and therefore the seal has a large safety margin with respect to pressure. In fact, even one ferrofluid O-ring seal is more than sufficient to produce the required pressure capacity. However, in current standard designs, two pole pieces are used so that the closed magnetic path or flux path is completely completed.

回転スピンドルシヤフトの外周面と固定磁極片
の内周面との間における磁性流体の粘性せん断に
より熱が発生する結果、磁性流体O輪シールを横
切つて温度勾配が生じることが知られている。こ
の熱の若干は、磁極片およびスピンドルシヤフト
を介して熱伝導により逃げる。したがつて、動作
中の磁性流体の温度は、そのシール材料および構
造体の放熱またはヒートシンクとしての容量に依
存し、そしてこれは、逆に磁性流体の蒸発速度を
決定し、それゆえシールの寿命を決定する。
It is known that heat is generated by viscous shear of the ferrofluid between the outer circumferential surface of the rotating spindle shaft and the inner circumferential surface of the fixed pole piece, resulting in a temperature gradient across the ferrofluid O-ring seal. Some of this heat escapes by conduction through the pole pieces and spindle shaft. The temperature of the ferrofluid during operation therefore depends on the capacity of its sealing material and structure to dissipate heat or act as a heat sink, and this in turn determines the evaporation rate of the ferrofluid and hence the lifetime of the seal. Determine.

磁性流体が両方のギヤツプ領域に満たされてい
るときは、一方の段のみが磁性流体で満たされ他
方の段がエアギヤツプを有する場合よりも動作流
体温度が高い。これは、磁性流体で充たされた各
ギヤツプ領域が独立の熱源として働き、局所的な
領域に発熱源が2つあることになる故、シール構
造体の温度を、1つの段のみが磁性流体で満たさ
れた場合よりも高い値に上昇させることから生ず
る。
When both gap regions are filled with ferrofluid, the operating fluid temperature is higher than when only one stage is filled with ferrofluid and the other stage has an air gap. This is because each gap region filled with ferrofluid acts as an independent heat source, and since there are two heat sources in a local area, only one stage can control the temperature of the seal structure. arises from raising it to a higher value than if it were filled with.

シール圧力が、両方の段を磁性流体で充たした
場合の方が一方の段のみを磁性流体で充たした場
合に比して倍加されるのと相異して、シール寿命
は、両方または複数のギヤツプ領域でなく一方の
ギヤツプ領域のみを磁性流体で充たすことにより
増大される。それゆえ、理想的状態は、一方の磁
極片のみが磁性流体で作動状態に置かれた場合で
あろう。エアギヤツプを伴つて動作する第2の磁
極片は、磁気回路を完成するため、すなわち閉磁
路を形成するためにのみ使用される。エアギヤツ
プは磁極片間のキヤビテイから空気を移動させる
のを補助する。しかしながら、現在のシール設定
技術は、この目的を達成するのを妨害するもので
ある。何故ならば、磁性流体は磁石領域に注入さ
れ、スピンドルシヤフト挿入の際両ギヤツプ領域
への磁性流体の移動を引き起すからである。
Unlike the fact that seal pressure is doubled when both stages are filled with ferrofluid compared to when only one stage is filled with ferrofluid, seal life is This is increased by filling only one gap region with magnetic fluid, rather than the gap region. The ideal situation would therefore be if only one pole piece was activated with magnetic fluid. The second pole piece, operating with an air gap, is used only to complete the magnetic circuit, ie to form a closed magnetic path. The air gap helps move air out of the cavity between the pole pieces. However, current seal setting techniques hinder achieving this goal. This is because the ferrofluid is injected into the magnet region and causes the ferrofluid to migrate to both gap regions upon insertion of the spindle shaft.

本発明は前記した点に鑑みなされたものであ
り、その目的とするところは、組立が容易で且つ
長期間働き続け得る磁性流体シール装置を提供す
ることにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned points, and an object of the present invention is to provide a magnetic fluid seal device that is easy to assemble and can continue to work for a long period of time.

本発明によれば、前記した目的は、 高速磁性材料よりなるシールされるべき回転シ
ヤフトの一部を周方向に取りかこむように構成さ
れており、回転シヤフトの軸方向に関して両端側
に位置する反対の極性の磁極部が、透磁性回転シ
ヤフトと協働して閉磁束路を形成するように回転
シヤフトの周面との間に間隙を形成すべく回転シ
ヤフトの周面に向かつて伸長している永久磁石構
造体と、 当初前記二つの間隙の夫々のところにO輪性の
シールを形成すべく、各間隙を満たす磁性流体と
を有しており、 前記二つの間隙は、前記回転シヤフトが回転せ
しめられた際、該二つの間隙のうちの一方の間隙
に満たされた磁性流体が、二つの間隙のうちの他
方の間隙に満たされた磁性流体よりも短い期間内
で先に蒸発により消失せしめられるように構成さ
れている磁性流体シール装置によつて達成され
る。
According to the present invention, the above-mentioned object is configured to circumferentially surround a part of a rotary shaft to be sealed made of a high-speed magnetic material, and opposite opposite ends located at both ends in the axial direction of the rotary shaft. a permanent magnet whose polarized magnetic pole portions extend toward the circumferential surface of the rotating shaft to form a gap therebetween so as to cooperate with the magnetically permeable rotating shaft to form a closed magnetic flux path; a magnetic structure and a magnetic fluid initially filling each gap to form an O-ring seal at each of the two gaps, the two gaps being connected to each other by the rotation of the rotating shaft; When the magnetic fluid is filled in one of the two gaps, the magnetic fluid filled in the other gap is evaporated and disappears within a shorter period of time than the magnetic fluid filled in the other gap. This is achieved by a magnetic fluid seal device configured as follows.

本発明の好ましい一実施例では、 前記永久磁石構造体は、 回転シヤフトの前記一部を取りかこむように構
成されており、回転シヤフトの軸方向に関して両
端側に反対の極性の永久磁石磁極部を有する永久
磁石と、 二つの永久磁石磁極部のうちの一方の永久磁石
磁極部に一端側が接しており、他端が回転シヤフ
トの周面との間に前記間隙を形成すべく回転シヤ
フトの周面に向かつて伸長している第一の透磁性
磁極片と、 二つの永久磁石磁極部のうちの他方の永久磁石
磁極部に一端側が接しており、他端が回転シヤフ
トの周面に向かつて伸長している第二の透磁性磁
極片と を有しており、好ましくは、 前記永久磁石並びに第一及び第二の磁極片は、
前記二つの間隙に磁性流体が満たされている場
合、回転シヤフトの周面と協働して、第一及び第
二の磁極片間において回転シヤフトのまわりに気
密なエアキヤビテイを形成するように構成されて
いる。
In a preferred embodiment of the present invention, the permanent magnet structure is configured to surround the part of the rotating shaft, and has permanent magnet magnetic pole parts of opposite polarity at both ends with respect to the axial direction of the rotating shaft. One end is in contact with one of the two permanent magnet magnetic pole parts, and the other end is in contact with the circumferential surface of the rotating shaft to form the gap between the permanent magnet and the circumferential surface of the rotating shaft. A first magnetically permeable magnetic pole piece extends toward the rotating shaft, one end side is in contact with the other of the two permanent magnet magnetic pole sections, and the other end extends toward the circumferential surface of the rotating shaft. and a second magnetically permeable magnetic pole piece, preferably, the permanent magnet and the first and second magnetic pole pieces are
When the two gaps are filled with magnetic fluid, the magnetic fluid is configured to cooperate with the circumferential surface of the rotating shaft to form an airtight air cavity around the rotating shaft between the first and second magnetic pole pieces. ing.

本発明の好ましい一実施例の磁性流体回転シヤ
フトシール方法では、シールされるべき回転シヤ
フトを永久磁石で取り囲み、永久磁石の両端から
発生する磁束を前記シヤフトの表面に導くように
第1及び第2の透磁性磁極片を、前記シヤフトの
回りで且つ前記永久磁石の両端部に配置して、第
1及び第2の磁極片間にエアキヤビテイを形成
し、前記シヤフトの表面との間で少なくとも2個
の半径方向ギヤツプを規定すべく、各磁極片の一
端部を前記シヤフトの表面に非接触関係で近接す
るよう伸長させて、前記シヤフトの回りに磁気的
な少なくとも2個のO輪シールを形成すべく、前
記ギヤツプ内に磁性流体を配置する回転シヤフト
のシール方法において、第1の磁極片のギヤツプ
の磁性流体を蒸発により先に消失させ、第2の磁
性片のギヤツプの磁性流体によつて前記シヤフト
のシールを行うようにしてシール寿命を延長させ
る。
In a magnetic fluid rotary shaft sealing method according to a preferred embodiment of the present invention, a rotary shaft to be sealed is surrounded by a permanent magnet, and first and second magnets are arranged to guide magnetic flux generated from both ends of the permanent magnet to the surface of the shaft. magnetically permeable pole pieces are disposed about the shaft and at opposite ends of the permanent magnet to form an air cavity between the first and second pole pieces, and at least two magnetically permeable pole pieces are arranged between the first and second pole pieces and the surface of the shaft. one end of each pole piece is extended in non-contacting relation to the surface of the shaft to define a radial gap of the shaft, forming at least two magnetic O-ring seals around the shaft; In the method for sealing a rotating shaft in which a magnetic fluid is placed in the gap, the magnetic fluid in the gap of the first magnetic pole piece is first eliminated by evaporation, and then the magnetic fluid in the gap of the second magnetic pole piece is removed. To extend the life of a seal by sealing the shaft.

また、本発明の好ましい一実施例の長シール寿
命を有する磁性流体回転シヤフトシール装置は、
シールされるべき回転シヤフトを取り囲んでお
り、両端部に反対の極性の磁極を有している環状
の永久磁石と、 永久磁石の両端部から発生する磁束を回転シヤ
フトの表面に導導くようにシールされるべき回転
シヤフトを取り囲んで永久磁石の両端部に配置さ
れており、相互間でエアキヤビテイを規定してい
る第1及び第2の透磁性磁極片であつて、前記シ
ヤフトの表面との間で少なくとも2個の半径方向
間隙(ギヤツプ)を規定すべく、各磁極片の一端
部が前記シヤフトの表面に非接触関係で近接する
ように伸長しており、前記シヤフトの回りに磁気
的に少なくとも2個のO輪シールを形成すべく、
前記ギヤツプ内には磁性流体が保持されており、
前記シヤフトの回転中、第1磁極片のギヤツプの
磁性流体が蒸発により先に消失して、第2磁極片
のギヤツプの磁性流体が残るように構成されてい
る第1及び第2の透磁性磁極片とからなる。
Further, a preferred embodiment of the present invention provides a magnetic fluid rotary shaft seal device having a long seal life.
A ring-shaped permanent magnet that surrounds the rotating shaft to be sealed and has magnetic poles of opposite polarity at both ends, and a seal that guides the magnetic flux generated from both ends of the permanent magnet to the surface of the rotating shaft. first and second magnetically permeable magnetic pole pieces disposed at opposite ends of a permanent magnet surrounding a rotating shaft to be rotated and defining an air cavity therebetween; One end of each pole piece extends in close, non-contacting relation to the surface of the shaft to define at least two radial gaps, and one end of each pole piece extends in close, non-contacting relation to the surface of the shaft to define at least two radial gaps. In order to form O-ring seals,
A magnetic fluid is held within the gap,
The first and second magnetically permeable magnetic poles are configured such that during rotation of the shaft, the magnetic fluid in the gap of the first magnetic pole piece disappears first by evaporation, and the magnetic fluid in the gap of the second magnetic pole piece remains. It consists of a piece.

磁性流体回転シール装置のシール寿命は、例え
ば、普通より大きく、そして好ましくは不等の磁
極片幅の使用により延長できる。現在の標準的磁
性流体密封シールは、単段のものでも多段のもの
でも、例えば約0.8〜1.1mm(30〜45ミル)の同一
幅(シヤフトの軸方向の厚み)の磁極片で作られ
る。より厚い幅の磁極片はより長寿命をもたらす
ことが分つた。これは、形成されたギヤツプ内の
磁性流体がより多量となり蒸発時間を長くし、ま
た磁性流体から熱を導出する断面積がより大とな
る結果である。厚さ約1.3〜2mm(50〜80ミル)
またはそれ以上の厚みの最適の磁極片は、90%程
の寿命の増大をもたらす。
The seal life of a magnetic fluid rotary seal arrangement can be extended, for example, by the use of larger than normal, and preferably unequal, pole piece widths. Current standard ferrofluidic seals, whether single-stage or multi-stage, are made with pole pieces of the same width (axial thickness of the shaft), for example, about 0.8-1.1 mm (30-45 mils). It has been found that thicker width pole pieces result in longer life. This is a result of the larger volume of ferrofluid in the formed gap, increasing the evaporation time, and the larger cross-sectional area from which heat is extracted from the ferrofluid. Thickness approximately 1.3~2mm (50~80mil)
Optimal pole piece thicknesses of 100 or more provide a lifetime increase of as much as 90%.

とりわけ、不等の磁極片幅(軸方向の厚み)を
もつ密封シールは、シール寿命を延長する上でと
くに有利であることが分つた。
In particular, hermetic seals with unequal pole piece widths (axial thicknesses) have been found to be particularly advantageous in extending seal life.

標準の2段式磁性流体2極密封シールは、シー
ルの寿命が単段シールの寿命と実質的に等しいと
いう欠点を有する。さらに、第2段に磁性流体が
存在し、それが2つの独立の熱発生器となるか
ら、各段の寿命が、第2段が磁性流体を持たない
場合、すなわちエアギヤツプを有する場合よりも
悪い。
Standard two-stage ferrofluidic bipolar seals have the disadvantage that the life of the seal is substantially equal to the life of a single-stage seal. Additionally, the presence of ferrofluid in the second stage makes it two independent heat generators, so the lifespan of each stage is worse than if the second stage had no ferrofluid, i.e. with an air gap. .

シールを設定するための組立手法では、一方の
段のみを磁性流体で満たすことが容易でない。他
方の段に流体を維持しつつ一方の段への流体の移
動を排除できることが分つた。2つの不等の磁極
片幅をもつシールの場合、狭い磁極片シールの方
が早く損なわれ、残りのシール寿命間、厚い方の
磁極片シールを単段シールとして動作させるので
ある。厚い方の磁極片に対する磁気回路設定だけ
で、必要とされるあるシール圧力条件を満足する
に十分以上である。
The assembly approach for setting up the seal does not allow for easy filling of only one stage with ferrofluid. It has been found that fluid migration to one stage can be eliminated while maintaining fluid in the other stage. For seals with two unequal pole shoe widths, the narrower pole shoe seal will fail sooner, causing the thicker pole shoe seal to operate as a single stage seal for the remainder of the seal's life. The magnetic circuit configuration for the thicker pole piece is more than sufficient to meet certain seal pressure requirements required.

コンピユータにおけるシールのごときシールを
形成するに際し、磁性流体は、コンピユータデイ
スク駆動装置に設置する前に不等の磁極片シール
の磁石領域に注入される。スピンドルシヤフトの
挿入の際、この流体は引き出され、2段に不均等
に、一般には磁極片の各端部下のギヤツプの幅
(軸方向の厚み)に比例して分配される。実験
は、4.6cm(1.8インチ)のシヤフト直径、
3600rpmの動作速度および約0.15mm(6ミル)の
半径方向のギヤツプで実施したが、この実験で、
薄い方の磁極片の磁性流体の温度が厚い方の磁極
片に対する温度よりも高くなることが示された。
この差は、磁性流体の流体粘度が高くなればなる
ほど大きくなる。薄い方の磁極片の幅は、普通約
0.6mm(25ミル)であるが、本質的には機械的強
度の考慮により決定されて例えば約0.5〜1mm
(20〜40ミル)の間で変えられる。厚い方の磁極
片は、約1.3mm(50ミル)の最小厚さを有するべ
きである。このシールの寿命は、厚い磁極片の方
の流体消減により決定されるのであるが、標準シ
ールの寿命より25%ないし100%長い。また、不
等の磁極片シールの場合、厚い方の磁極片下の磁
性流体のO輪シールは、薄い方の磁極片下のシー
ルよりも5倍もち、狭いすなわちち標準の磁極片
エレメントをもつ磁性流体シールの寿命よりもシ
ール寿命を延長させる。
In forming a seal, such as a seal in a computer, ferrofluid is injected into the magnet region of the unequal pole piece seal prior to installation in the computer disk drive. Upon insertion of the spindle shaft, this fluid is withdrawn and distributed unevenly into two stages, generally proportional to the width (axial thickness) of the gap under each end of the pole piece. The experiment was performed using a shaft diameter of 4.6 cm (1.8 inch),
In this experiment, conducted at an operating speed of 3600 rpm and a radial gap of approximately 0.15 mm (6 mils),
It has been shown that the temperature of the ferrofluid for the thinner pole piece is higher than for the thicker pole piece.
This difference becomes larger as the fluid viscosity of the magnetic fluid becomes higher. The width of the thinner pole piece is usually approx.
0.6 mm (25 mils), but essentially determined by mechanical strength considerations, e.g.
(20 to 40 mils). The thicker pole piece should have a minimum thickness of approximately 1.3 mm (50 mils). The life of this seal, determined by fluid dissipation in the thicker pole piece, is 25% to 100% longer than that of a standard seal. Also, in the case of unequal pole shoe seals, the ferrofluid O-ring seal under the thicker pole shoe lasts five times longer than the seal under the thinner pole shoe and has a narrower or standard pole shoe element. To extend the seal life beyond that of the magnetic fluid seal.

以下、例示のため特に好ましい具体例と関連し
て説明するが、当業者であれば、特許請求の範囲
から逸脱することなく種々の変化、変更をなし得
ることが認められよう。
Although the following description will be made in conjunction with particularly preferred embodiments for illustrative purposes, those skilled in the art will recognize that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the claims.

第1図には、寿命が延長される磁性流体シール
装置10が示されているが、該装置は、アルミニ
ウムまたは非磁性ステンレススチールのような非
磁性ハウジング12内に配された永久磁石リング
14を含み、該磁石14の両側と接触してかつ対
向する磁極と隣接してサンドイツチ配置された磁
極片16および18を備えており、その間に環状
の密封エアキヤビテイ22が形成されている。ハ
ウジング12内の磁石14および磁極片16およ
び18は、コンピユータデイスク駆動スピンドル
のような透磁性のシヤフト26上の回りに配され
ている。各磁極片16および18の一端は、シヤ
フト26の表面と非接触関係で近接するように伸
びており、典型的には約0.05〜0.15mm(2〜6ミ
ル)またはそれ以上、例えば約0.3〜0.75mm(12
〜30ミル)の限定された半径方向の厚みの第1お
よび第2のギヤツプを形成している。
FIG. 1 shows an extended life ferrofluid seal device 10 that includes a permanent magnet ring 14 disposed within a non-magnetic housing 12, such as aluminum or non-magnetic stainless steel. and includes pole pieces 16 and 18 in a sanderch configuration in contact with opposite sides of the magnet 14 and adjacent the opposing poles, with an annular sealed air cavity 22 formed therebetween. Magnet 14 and pole pieces 16 and 18 within housing 12 are disposed about a magnetically permeable shaft 26, such as a computer disk drive spindle. One end of each pole piece 16 and 18 extends into close, non-contacting relation to the surface of shaft 26, typically about 0.05 to 0.15 mm (2 to 6 mils) or more, such as about 0.3 to 6 mils or more. 0.75mm (12
forming first and second gaps of limited radial thickness (~30 mils).

50〜500cpの粘度および100〜450ガウスの磁気
飽和を有するジエステル磁性流体のような磁性流
体24が、各磁極片の端部にてギヤツプ20内に
保持されており、シヤフト26の回転の際その表
面上に2つのO輪シール30および32(平行な
点線で指示される)を形成する。形成された閉磁
(束)路は、点線34で例示されている。ハウジ
ング12は、任意の部材として、例えば約1.3〜
0.5mm(50〜20ミル)のアルミニウムの平坦なシ
ートの熱伝導性の非磁性材料より成り磁極片18
の一端まで伸びる延長部36を有しており、磁極
片18の下のギヤツプ20の磁性流体24から熱
を逃がす。
A ferrofluid 24, such as a diester ferrofluid having a viscosity of 50 to 500 cp and a magnetic saturation of 100 to 450 gauss, is held within the gap 20 at the end of each pole piece and rotates as the shaft 26 rotates. Two O-ring seals 30 and 32 (indicated by parallel dotted lines) are formed on the surface. The closed magnetic (flux) path formed is illustrated by dotted line 34. The housing 12 may be an optional member, for example, approximately 1.3~
Pole piece 18 made of a flat sheet of 0.5 mm (50-20 mil) aluminum thermally conductive non-magnetic material.
It has an extension 36 extending to one end to conduct heat away from the magnetic fluid 24 in the gap 20 below the pole piece 18.

磁極片18は、例えば約0.6〜1mm(25〜40ミ
ル)の磁極片16よりも大きい、例えば約1.3〜
2mm(50〜80ミル)のシヤフトの軸方向の厚みま
たは幅を有しており、したがつて、磁極片18下
のO輪シール32の領域は幅広であり、磁極片1
6および18下のギヤツプが等しい場合、ギヤツ
プ20の磁性流体24の量はこの磁極片18下の
方が大である。図示されるシール装置は、長いシ
ール寿命を提供するのであるが、磁極片16下の
磁性流体がまず蒸発により消失してキヤビテイ2
2を開放した場合、磁極片18下の磁性流体24
で単段シールが形成され、これにより長寿命シー
ルが形成されるのである。熱伝導性延長部36の
任意の使用および大きなギヤツプ幅の使用により
シール寿命はさらに延長される。
Pole piece 18 is larger than pole piece 16, e.g., about 0.6 to 1 mm (25 to 40 mils), e.g., about 1.3 to 40 mils.
has an axial thickness or width of the shaft of 2 mm (50 to 80 mils), so that the area of O-ring seal 32 below pole piece 18 is wide;
If the gaps under 6 and 18 are equal, the amount of ferrofluid 24 in gap 20 is greater under this pole piece 18. Although the illustrated sealing arrangement provides a long seal life, the ferrofluid under the pole piece 16 is first lost by evaporation and is removed from the cavity 2.
2 is open, the magnetic fluid 24 under the pole piece 18
A single-stage seal is formed, thereby creating a long-life seal. The optional use of thermally conductive extensions 36 and the use of large gap widths further extend seal life.

第2図は、磁極片16下のギヤツプ20内の磁
性流体24が消滅した後のシール装置10の状態
を示すもので、シールはこの消滅で単段シールに
変換され、幅広の磁極片18下の磁性流体がシー
ル寿命の延長に役立つ。
FIG. 2 shows the state of the sealing device 10 after the magnetic fluid 24 in the gap 20 below the pole piece 16 has disappeared; the seal is converted into a single-stage seal by this disappearance, and the seal is converted into a single-stage seal under the wide pole piece 18. ferrofluid helps extend seal life.

同一の軸方向厚さ例えば約1mm(40ミル)の2
つの磁極片をもつ標準的密封シールと、一方の磁
極片が約0.6mm(25ミル)の軸方向厚、他方の磁
極片が約1.4mm(55ミル)の軸方向厚の密封シー
ルについて実験を行なつた。実験は、50cpの粘
度および200ガウスの磁気飽和を有する炭化水素
をベースにした磁性流体を用いて行なわれ、シー
ルの半径方向ギヤツプは100℃にて約0.15mm(6
ミル)に設定され、4.6cm(1.8インチ)直径のコ
ンピユータデイスク駆動シヤフトが3600rpmで作
動された。実験データは、標準シールは約180時
間で損なわれるのに対し、薄厚の磁極片下のO輪
シールは155時間で損なわれるが、約1.4mm(55ミ
ル)厚の磁極片下のO輪シールは265時間後に損
なわれることを示した。
2 of the same axial thickness e.g. approximately 1 mm (40 mils)
Experiments were conducted on a standard hermetic seal with two pole pieces and a hermetic seal with one pole piece having an axial thickness of approximately 0.6 mm (25 mils) and the other pole piece having an axial thickness of approximately 1.4 mm (55 mils). I did it. Experiments were performed using a hydrocarbon-based ferrofluid with a viscosity of 50 cp and a magnetic saturation of 200 Gauss, with a radial gap of the seal of approximately 0.15 mm (6
A 4.6 cm (1.8 inch) diameter computer disk drive shaft was operated at 3600 rpm. Experimental data shows that standard seals fail in about 180 hours, whereas O-ring seals under thin pole pieces fail in 155 hours, whereas O-ring seals under approximately 1.4 mm (55 mil) thick pole pieces fail in 155 hours. showed that it was impaired after 265 hours.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は動作開始時における本発明の磁性流体
密封シールの概略断面図、第2図は第1図の密封
シールの一方の磁極片下の磁性流体の蒸発後の状
態を示す断面図である。 10…シール装置、12…ハウジング、14…
永久磁石、16,18…磁極片、20…ギヤツ
プ、22…キヤビテイ、24…磁性流体、30,
32…O輪シール、34…磁気回路。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the magnetic fluid seal of the present invention at the start of operation, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing the state of the magnetic fluid under one magnetic pole piece of the seal shown in FIG. 1 after evaporation. . 10...Sealing device, 12...Housing, 14...
Permanent magnet, 16, 18... Magnetic pole piece, 20... Gap, 22... Cavity, 24... Magnetic fluid, 30,
32...O-ring seal, 34...Magnetic circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 高透磁性材料よりなるシールされるベき回転
シヤフトの一部を周方向に取りかこむように構成
されており、回転シヤフトの軸方向に関して両端
側に位置する反対の極性の磁極部が、透磁性回転
シヤフトと協働して閉磁束路を形成するように回
転シヤフトの周面との間に間隙を形成すべく回転
シヤフトの周面に向かつて伸長している永久磁石
構造体と、 当初、前記二つの間隙の夫々のところにO輪性
のシールを形成すべく、各間隙を満たす磁性流体
とを有しており、 前記二つの間隙は、前記回転シヤフトが回転せ
しめられた際、該二つの間隙のうちの一方の間隙
に満たされた磁性流体が、二つの間隙のうちの他
方の間隙に満たされた磁性流体よりも短い期間内
で先に蒸発により消失せしめられるように構成さ
れている磁性流体シール装置。 2 前記永久磁石構造体は、 回転シヤフトの前記一部を取りかこむように構
成されており、回転シヤフトの軸方向に関して両
端側に反対の極性の永久磁石磁極部を有する永久
磁石と、 二つの永久磁石磁極部のうちの一方の永久磁石
磁極部に一端側が接しており、他端が回転シヤフ
トの周面との間に前記間隙を形成すべく回転シヤ
フトの周面に向かつて伸長している第一の透磁性
磁極片と、 二つの永久磁石磁極部のうちの他方の永久磁石
磁極部に一端側が接しており、他端が回転シヤフ
トの周面に向かつて伸長している第二の透磁性磁
極片と を有している特許請求の範囲第1項に記載の装
置。 3 前記永久磁石並びに第一及び第二の磁極片
は、前記二つの間隙に磁性流体が満たされている
場合、回転シヤフトの周面と協働して、第一及び
第二の磁極片間において回転シヤフトのまわりに
気密なエアキヤビテイを形成するように構成され
ている特許請求の範囲第2項に記載の装置。 4 第一磁極片の間隙に保持されている磁性流体
の量が第二磁極片の間隙に保持されている磁性流
体の量より少ない特許請求の範囲第2項又は第3
項に記載の装置。 5 シヤフトの軸方向に関する第一磁極片の厚さ
が、第二磁極片の厚さより小さい特許請求の範囲
第2項乃至第4項のいずれかに記載の装置。 6 前記第一磁極片の厚さが約0.5〜1mm(約20
〜40ミル)の範囲である特許請求の範囲第5項に
記載の装置。 7 前記第二磁極片の厚さが約1.3〜2mm(約50
〜80ミル)の範囲である特許請求の範囲第5項ま
たは第6項に記載の装置。 8 前記永久磁石構造体は、第二磁極片の間隙に
おける磁性流体の温度を減ずべく、第二磁極片と
熱伝導関係にある非磁性の熱伝導性部材を有する
特許請求の範囲第2項乃至第7項のいずれかに記
載の装置。 9 前記熱伝導性部材が、第二磁極片の外壁と接
触関係にあり、かつその一端が第二磁極片の一端
部及びその間隙の磁性流体に近接するところまで
延びているシート状部材である特許請求の範囲第
8項に記載の装置。
[Claims] 1. The rotary shaft is made of a highly permeable material and is configured to circumferentially surround a part of the rotary shaft to be sealed, and oppositely polarized rotary shafts are located at both ends of the rotary shaft in the axial direction. A permanent magnet structure in which the magnetic pole portion extends toward the circumferential surface of the rotating shaft to form a gap therebetween so as to cooperate with the magnetically permeable rotating shaft to form a closed magnetic flux path. a magnetic fluid initially filling each gap to form an o-ring seal at each of said two gaps, said two gaps being separated by said rotary shaft being rotated; When the magnetic fluid fills one of the two gaps, the magnetic fluid fills the other gap of the two gaps and disappears by evaporation within a shorter period of time. A magnetic fluid seal device consisting of. 2. The permanent magnet structure is configured to surround the part of the rotating shaft, and includes a permanent magnet having permanent magnet magnetic pole parts of opposite polarity at both ends with respect to the axial direction of the rotating shaft, and two permanent magnets. A first member whose one end side is in contact with one of the permanent magnet magnetic pole portions of the magnetic pole portions, and whose other end extends toward the circumferential surface of the rotating shaft to form the gap between the first and second permanent magnet magnetic pole portions. a magnetically permeable magnetic pole piece, and a second magnetically permeable magnetic pole, one end of which is in contact with the other of the two permanent magnet magnetic pole sections, and the other end of which extends toward the circumferential surface of the rotating shaft. 2. A device according to claim 1, comprising a piece. 3. When the two gaps are filled with magnetic fluid, the permanent magnet and the first and second magnetic pole pieces cooperate with the circumferential surface of the rotating shaft to generate a magnetic field between the first and second magnetic pole pieces. 3. The apparatus of claim 2, wherein the apparatus is configured to form a gas-tight air cavity around the rotating shaft. 4. Claim 2 or 3: The amount of magnetic fluid held in the gap between the first magnetic pole pieces is smaller than the amount of magnetic fluid held in the gap between the second magnetic pole pieces.
Equipment described in Section. 5. The device according to claim 2, wherein the thickness of the first magnetic pole piece in the axial direction of the shaft is smaller than the thickness of the second magnetic pole piece. 6 The thickness of the first magnetic pole piece is approximately 0.5 to 1 mm (approximately 20
5. The apparatus of claim 5, wherein the filtrate is in the range of 40 mils). 7 The thickness of the second magnetic pole piece is approximately 1.3 to 2 mm (approximately 50
80 mils). 8. Claim 2, wherein the permanent magnet structure includes a non-magnetic thermally conductive member in thermal conductive relationship with the second magnetic pole piece to reduce the temperature of the magnetic fluid in the gap between the second magnetic pole pieces. 8. The device according to any one of items 7 to 7. 9. The thermally conductive member is a sheet-like member that is in contact with the outer wall of the second magnetic pole piece, and one end of which extends close to one end of the second magnetic pole piece and the magnetic fluid in the gap therebetween. Apparatus according to claim 8.
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