JPWO2016063980A1 - 高速回転用磁性流体シール構造 - Google Patents

Abstract

互いに回転可能な軸部材（２）と、この軸部材（２）の周囲に配置されるハウジング部材（３）との間の隙間（Ｓ）を封止する高速回転用磁性流体シール構造（１）であって、ハウジング部材（３）に固定され、磁力を発生する磁力発生手段（４）と、この磁力発生手段（４）の軸方向における両側に配置された磁極部材（５）と、磁力発生手段（４）の磁力によって、磁極部材（５）と軸部材（２）との間に磁気的に保持され、これらの間の隙間（Ｓ）を密封する磁性流体（７）とを備え、軸部材（２）は、複数の異種材料層が径方向で同心状に積層され、軸部材（２）の、磁性流体（７）を保持する最外径層（２３）が磁性材料である。

Description

本発明は、高速で回転する部材に適用可能な高速回転用磁性流体シール構造に関する。
本願は、２０１４年１０月２４日に日本国に出願された特願２０１４−２１７２４０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来から、例えば、回転エネルギーを電気エネルギーに変換するか、電気エネルギーを回転エネルギーに変換することが可能なフライホイール蓄電システム等のような、トルクを伝達する回転シャフトを備える装置においては、磁性流体シール装置を用いて大気と真空空間とを分離する、所謂、真空分離が行われている。このように、高速で回転する回転シャフトに磁性流体シール装置を組み合わせることで、大気と真空空間を分離可能である。

一方、上述のような回転シャフトは高速で回転する。そのため、回転シャフトの高速回転に伴って磁性流体シール装置内で摩擦熱が発生することから、この摩擦熱を放熱することが必要となる。このような、回転シャフトの高速回転に伴って磁性流体シール装置に発生する摩擦熱を放熱することを目的として、装置の筐体に放熱フィンを設け、摩擦熱を大気中に放熱する構成が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。

また、上述のような磁性流体シール装置に発生する摩擦熱を放熱するため、回転シャフトに冷却機構や断熱機構を設けることが提案されている（例えば、特許文献３，４を参照）。

また、高速回転時によって回転シャフトに発生する摩擦熱を放熱するため、回転シャフトを中空状に形成し、その一部にフィンを設けた構成とすることが提案されている（例えば、特許文献５を参照）。また、回転シャフトの一部に熱伝導性の良いアルミニウムからなるコアを設け、回転シャフトの両端部間に熱分路の一部を担わせることで放熱を行う技術も提案されている（例えば、特許文献６を参照）。

日本国特開２００６−１７９６１３号公報 日本国実開昭６３−１９５１６２号公報 日本国実開昭６１−１３７１６８号公報 日本国特開昭６１−１６０６７０号公報 日本国特開昭６１−１６０６７１号公報 日本国特許第４１３２１４９号公報

ここで、上述のような高速回転に伴って磁性流体シール装置内で発生する摩擦熱は、回転シャフトにも入熱する。このような回転シャフトは、一般的に、磁性を有するステンレス鋼、例えば、常温での熱伝導率が１２Ｗ／ｍ・Ｋ程度のステンレス鋼材料単独で構成されている。そのため、摩擦熱が入熱した際の回転シャフトの温度上昇が１００℃以上と非常に大きくなるため、回転シャフトが著しく熱膨張することが、本発明者等の検討で明らかとなった。一般に、磁性流体シール装置において磁性流体が介在する隙間は数十μｍであるが、回転シャフトの熱膨張による径方向での寸法変化が上記数値を超えるような場合には、本来の真空分離機能が維持できなくなる可能性がある。このため、回転シャフトに入熱した摩擦熱を効率的に放熱し、回転シャフト自体の温度上昇を抑制することが求められる。

しかしながら、特許文献１，２に記載の放熱フィンは、装置の筐体に設けられた構成なので、回転シャフト本体に入熱する摩擦熱を放熱することは困難である。
一方、特許文献３，４においては、回転シャフトに冷却機構又は断熱機構が設けられているものの、回転シャフト全体がステンレス鋼からなる構成のため、強度特性には優れているものの、熱伝導性が低く、シャフト本体に入熱した摩擦熱を効果的に放熱することは困難である。

また、特許文献５においては、中空状でフィンが設けられた回転シャフトが用いられ、特許文献６においては、熱伝導性の良いアルミニウムからなるコアが設けられた回転シャフトが用いられているものの、何れにおいても、回転シャフトに入熱した摩擦熱を十分に放熱することは困難である。

本発明は上記課題に鑑み、回転シャフトの温度上昇に伴う熱膨張を抑制し、優れた真空分離機能を維持することが可能な高速回転用磁性流体シール構造を提供することを目的とする。

本発明者等が上記問題を解決するために鋭意検討を行ったところ、回転シャフトが熱膨張する問題を解決するためには、一次要因である高速回転時の摩擦熱を低減することが本質的であるが、これは、磁性流体の構成材料に由来するため、技術的な困難度が極めて高い。そこで、本発明者等は、二次要因である回転シャフトの温度上昇を抑制する方策、即ち、熱掃け特性（放熱性）を改善することに着目した。

本発明者等は、まず、例えば直径１００ｍｍの回転シャフトの場合、磁性流体シールの機能を確保するために必要な厚さは、外周面から深さ１０ｍｍ程度の範囲に限定されることを見出した。その結果、中心部の直径８０ｍｍの部分については、所定のトルク伝達に必要な高強度材料と、熱掃け対策の機能を満たすことが可能な材料で構成することが可能であることを知見した。そして、従来のＳＵＳ６３０のような、代表的なステンレス鋼材料に比べて格段に熱伝導性に優れる材料、例えば、常温における熱伝導率が最大で２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度のアルミニウム材料や、最大で４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の銅材料からなる層を内層側に設けた構成を採用することにより、回転シャフトの放熱性が顕著に向上することを見出し、本発明を考案するに至った。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第１の態様は、互いに回転可能な軸部材と、軸部材の周囲に配置されるハウジング部材との間の隙間を封止する高速回転用磁性流体シール構造であって、ハウジング部材に固定され、磁力を発生する磁力発生手段と、磁力発生手段の軸方向における両側に配置された磁極部材と、磁力発生手段の磁力によって、磁極部材と軸部材との間に磁気的に保持され、これらの間の隙間を密封する磁性流体と、を備え、軸部材は、複数の異種材料層が径方向で同心状に積層され、軸部材の、磁性流体を保持する最外径層が磁性材料である。

高速回転用磁性流体シール構造の第１の態様によれば、軸部材を、回転シャフトとしての機能を満たしながら、内層側には熱伝導率の高い異種材料層を配置することができる。そのため、軸部材に入熱した摩擦熱は、熱伝導率の高い異種材料層を伝わって外部に放熱される。これにより、軸部材の放熱性が向上するので、例えば、毎秒数十メートルの周速で回転シャフトを高速回転させた場合でも、軸部材の温度上昇及びそれに伴う熱膨張を抑制でき、安定した真空分離が可能となる。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第２の態様は、第１の態様において、軸部材が、２種の異種材料層を有する２層構造とされ、最内径層が、最外径層よりも熱伝導率の高い良熱伝導材料である。

高速回転用磁性流体シール構造の第２の態様によれば、軸部材に入熱した摩擦熱を外部に放熱し、温度上昇を抑制する効果が顕著に得られる。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第３の態様は、第２の態様において、軸部材の最内径層が、オーステナイト系、又は、マルテンサイト系のステンレス鋼、もしくは、チタン合金材料である。

高速回転用磁性流体シール構造の第３の態様によれば、この最内径層のみならず軸部材全体の強度特性や耐食性が向上する。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第４の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、軸部材の最外径層が、オーステナイト・フェライト系、マルテンサイト系、析出硬化系のステンレス鋼、又は、鉄系材料の磁性材料である。

高速回転用磁性流体シール構造の第４の態様によれば、磁性体としての良好な特性と、最外径層としての良好な強度特性の両方を備える。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第５の態様は、第１から第４のいずれかの態様において、軸部材が、さらに、最内径層と最外径層との間に中間層が設けられた３層構造とされ、中間層が最外径層よりも熱伝導率の高い良熱伝導材料であり、且つ、最内径層が中間層よりも強度の高い高強度材料である。

高速回転用磁性流体シール構造の第５の態様によれば、軸部材の放熱性を向上させ、温度上昇を抑制する効果がより顕著に得られる。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第６の態様は、第５の態様において、軸部材の中間層が、常温での熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のアルミニウム、又は、銅を主成分とする。

高速回転用磁性流体シール構造の第６の態様によれば、軸部材の放熱性を向上させ、温度上昇を抑制する効果がより顕著に得られる。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第７の態様は、第１から第６のいずれかの態様において、軸部材の最内径層又は中間層の内の少なくとも一部が、軸部材の軸方向で外部に露出した放熱部である。

高速回転用磁性流体シール構造の第７の態様によれば、軸部材の放熱性をさらに向上させ、温度上昇を抑制する効果が顕著に得られる。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第８の態様は、第７の態様において、放熱部が、凹凸形状を有する放熱用フィンである。

高速回転用磁性流体シール構造の第８の態様によれば、軸部材の放熱性をさらに向上させ、温度上昇を抑制する効果が顕著に得られる。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第９の態様は、第７の態様において、放熱部が、ブラスト処理による梨地形状である。

高速回転用磁性流体シール構造の第９の態様によれば、軸部材の放熱性をさらに向上させ、温度上昇を抑制する効果が顕著に得られる。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第１０の態様は、第１から第９のいずれかの態様において、ハウジング部材に、冷却用の液体注入口が備えられ、磁極部材の外径側に円環状溝が備えられ、液体注入口から供給される冷却用の液体が前記円環状溝に流通される。

高速回転用磁性流体シール構造の第１０の態様によれば、磁力発生手段及び磁極部材を効率的に冷却することが可能となる。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第１１の態様は、第１から第１０のいずれかの態様において、軸部材の最内径層に、冷却用の液体を循環させる液体循環回路が設けられている。

高速回転用磁性流体シール構造の第１１の態様によれば、軸部材を、効率的に放熱かつ冷却することが可能になる。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造の第１２の態様は、第１から第１１のいずれかの態様において、軸部材の表面の少なくとも一部に、回転伝達が可能な歯車形状又はスプライン形状である。

高速回転用磁性流体シール構造の第１２の態様によれば、高速回転用磁性流体シール構造を、各種用途において容易に適用することが可能となる。

なお、本発明において説明する最外径層とは、軸部材において、径方向で最も外側に配置される層のことであり、また、最内径層とは、径方向で最も内側に配置される層のことである。
また、本発明においては、軸部材、ハウジング部材、磁力発生手段、磁極部材、磁性流体等から構成される部分を、総称して高速回転用磁性流体シール構造という。

本発明に係る高速回転用磁性流体シール構造によれば、軸部材を、回転シャフトとしての機能を満たしながら、内層側に熱伝導率に優れた異種材料層を配置することができるので、軸部材に入熱した摩擦熱が外部に放熱され易くなり、軸部材の放熱性が向上する。これにより、例えば、毎秒数十メートルの周速で回転シャフトを高速回転させた場合でも、回転シャフトの温度上昇及びそれに伴う熱膨張を抑制できるので、安定した真空分離が可能となる。

本発明の一実施形態である高速回転用磁性流体シール構造を模式的に説明する図であり、互いに回転可能に組み付けられた軸部材とハウジング部材との組み付け状態を示す全体概略図である。 本発明の一実施形態である高速回転用磁性流体シール構造を模式的に説明する図であり、軸部材の層構造の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態である高速回転用磁性流体シール構造を模式的に説明する図であり、軸部材に入熱する摩擦熱の伝導経路を説明する模式断面図である。 本発明の一実施形態である高速回転用磁性流体シール構造を模式的に説明する図であり、軸部材の層構造の他の例を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態である高速回転用磁性流体シール構造の高速回転時の温度上昇特性を、従来の構造の特性と比較して示すグラフである。

以下、本発明の実施形態である高速回転用磁性流体シール構造（以下、単に磁性流体シール構造と略称することがある）の一例を挙げ、その構成及び作用について、図１〜図５を参照しながら詳述する。図１は本実施形態の磁性流体シール構造を示す全体概略図であり、図２は軸部材の層構造の一例を示す断面図である。また、図３は軸部材に入熱する摩擦熱の伝導経路を説明する模式断面図であり、図４は軸部材の層構造の他の例を示す模式断面図である。さらに、図５は本実施形態の高速回転用磁性流体シール構造の高速回転時の温度上昇特性を、従来の構造の特性と比較して示すグラフである。

［高速回転用磁性流体シール構造］
図１に示すように、本実施形態の磁性流体シール構造１は、互いに回転可能に組み付けられる、軸部材２と、この軸部材２の周囲に配置されるハウジング部材３との間の隙間を封止する構造である。この磁性流体シール構造１は、ハウジング部材３に固定され、磁力を発生する磁力発生手段４と、この磁力発生手段４の軸方向における両側に配置された磁極部材５と、磁力発生手段４の磁力によって、磁極部材５と軸部材２との間に磁気的に保持され、これらの間の隙間Ｓを密封する磁性流体７とを有し、概略構成される。

本実施形態の磁性流体シール構造１は、大気側Ａ（機外側）及び真空側Ｖ（機内側）の２領域間にまたがる軸部材２とハウジング部材３との間を真空分離（シール）する。
ハウジング部材３は、例えば、非磁性金属材料からなり、図１に示す例においては、軸部材２の保持及び密封を行う円筒部３１と、この円筒部３１の真空側Ｖに、磁性流体シール構造が保持されるフランジ部３２とを備えている。また、ハウジング部材３の円筒部３１と軸部材２との間には、環状のベアリング３３が設けられ、軸部材２を外周面２３ａ側から回転自在に支持している。また、図示例のベアリング３３は、軸部材２の軸方向で離間して２箇所に設けられ、これらの間に支持部材３４が設けられている。さらに、ベアリング３３の内、フランジ部３２と反対側に位置するベアリング３３は、円筒部３１の機外側かつ非フランジ側端部に取り付けられる固定部材３５によって位置決めされている。

フランジ部３２は、半径方向に拡がるフランジ状に形成され、底部３２Ａが図示略の機器側への取り付け面とされるとともに、フランジ部３２の外周側においてフランジ部３２を貫くように、機器取り付け用の複数のボルト孔３２Ｂが形成されている。また、底部３２Ａには環状の凹部３２ａが形成されており、この凹部３２ａに、機器側とのシールを図るための環状のパッキン部材６が収容されている。また、フランジ部３２における円筒部３１よりも内周側には段差３２Ｃが設けられ、この段差３２Ｃにより、本実施形態の磁性流体シール構造１の要部となる磁力発生手段４や磁極部材５が支持されている。即ち、これら磁力発生手段４や磁極部材５は、円筒部３１とフランジ部３２とから形成される環状空間において、段差３２Ｃによって支持されながら収容されている。

磁力発生手段４は、上述したように、ハウジング部材３に固定されて磁力を発生し、詳細な図示を省略するが、平面視で円環状に形成されており、軸方向に異極（Ｎ極、Ｓ極）が配されるように構成される。

磁極部材５は、磁力発生手段４の軸方向における両側に一対で配置され、磁性材料からなる円環状部材であり、磁力発生手段４を支持する。

磁性流体７は、例えば、小粒径の磁性超微粒子を、界面活性剤を用いて溶媒や油中に分散させてある。磁性流体７は、上記構成により、磁力線に沿って移動することで磁場にトラップされる特性を有する流体である。磁性流体７は、図１に示すように、軸部材２が回転する際、磁極部材５と軸部材２の後述する最外径層２３のシール部２４との間で磁気的に保持され、両者の隙間Ｓを密封する。

ここで、磁性流体シール構造１においては、軸部材２を高速回転させた際に、磁性流体７を介して配置された磁極部材５と軸部材２との間で摩擦熱が発生し、この摩擦熱が軸部材２にも入熱する。本実施形態の磁性流体シール構造１は、上述のような、軸部材２に入熱した摩擦熱に関し、軸部材２の層構造や材質等を適正化することで、軸部材２の放熱性を高めて温度上昇を抑制し、熱膨張による軸部材２の径方向での寸法変化を抑制してシール性を確保し、安定した真空分離を可能とする。

次に、本実施形態の磁性流体シール構造１に備えられる軸部材２について、図１〜図３を適宜参照して詳述する。
軸部材２は、上述したように、ハウジング部材３との間で互いに回転可能に組み付けられる軸状の部材（シャフト）である。また、軸部材２の最外径層２３の外周面２３ａの一部には、上述したシール部２４が、複数の微細な凸部を有する凹凸形状で環状に形成されている。

そして、図２の断面図に示すように、本実施形態の軸部材２は、複数の異種材料層が径方向で同心状に積層され、軸部材２の、磁性流体７を保持する最外径層２３が磁性材料からなる。また、図２に示す軸部材２は、最内径層２１と最外径層２３との間に中間層２２が設けられた３層構造とされている。また、軸部材２は、コア材である最内径層２１が、中間層２２を介して略管状のアウター材である最外径層２３に嵌合され、異種・異形の金属部材が一体化されたマルチ部材として構成とされている。

最内径層２１は、略軸状の雄部材として構成され、図示例においては、軸部材２のフランジ部２１Ａと、このフランジ部２１Ａから延出する軸部２１Ｂと、この軸部２１Ｂの機外側かつ放熱部側の端部２１ｂから突出して形成される円柱状の突出部２１Ｃとから構成されている。

フランジ部２１Ａは、最内径層２１と最外径層２３とを中間層２２を介在させて一体化した後、軸部材２の機内側かつ真空槽側端部から表面に露出する部位であり、最内径層２１の軸部２１Ｂを最外径層２３の嵌合孔２３Ａ内に挿入した際に最外径層２３の機内側かつ真空槽側端部が当接するストッパーとしても機能する。

軸部２１Ｂは、フランジ部２１Ａから延出するように形成される軸状の部位であり、詳細な図示を省略するが、略丸棒状に形成されている。軸部２１Ｂは、後述の最外径層２３の嵌合孔２３Ａに、中間層２２を介して一体化される部位となる。

突出部２１Ｃは、上述したように、軸部２１Ｂの、フランジ部２１Ａと反対側の大気側の端部２１ｂ側から突出して形成される柱状の部位である。この突出部２１Ｃは、例えば、後述するような、回転伝達が可能な図示略の歯車形状又はスプライン形状が形成された構成とすることができる。

最内径層２１の材質としては、特に限定されず、磁性流体シール構造１の用途を勘案しながら、強度特性や耐食性に優れた金属材料を選択することができる。しかしながら、後述の中間層２２よりも強度の高い高強度材料からなることが好ましく、例えば、オーステナイト系、又は、マルテンサイト系のステンレス鋼、もしくは、チタン合金材料等を採用することができる。また、最内径層２１にステンレス鋼を用いる場合には、例えば、ＳＵＳ４０３等の高強度ステンレス鋼材料を用いることができ、この場合、最内径層２１のみならず軸部材２全体の強度特性や耐食性が向上する効果が得られる。また、最内径層２１に、熱伝導性に優れた金属材料を選択する場合には、例えば、アルミニウムや銅材料を用いることも可能である。

中間層２２は、図２に示すように、最内径層２１と最外径層２３との間に配置される異種金属層であり、詳細な図示を省略するが、断面略円形の最内径層２１と最外径層２３との間に介在される略筒状の層である。また、図示例の中間層２２では、最内径層２１のフランジ部２１Ａ側とは反対側に配置される大気側の端部の外周面が、軸部材２の軸方向の所定の長さにわたって露出しており、この露出部位が放熱部２２Ｃとされている。

中間層２２が露出する放熱部２２Ｃは、図示例においては、凹凸形状を有する放熱用フィンとして形成されており、軸部材２に摩擦熱等が入熱した場合に、この熱を大気に放熱する機能を有する。また、放熱部２２Ｃの最大径は、磁性流体シール構造１としての構造上、図示例のように、軸部材２としての最大径、即ち、詳細を後述する最外径層２３の最大径と同程度とすることが好ましい。一方、放熱部２２Ｃの軸方向の長さ寸法は、可能な限り長く確保することが、放熱効果をより高められる観点から好ましい。

中間層２２の材質としては、特に限定されないが、後述の最外径層２３よりも熱伝導率の高い良熱伝導材料が好ましく、例えば、常温での熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のアルミニウム、銅、クロム銅等の良熱伝導材料が挙げられる。このような良熱伝導材料を中間層２２に用いることにより、軸部材２の表面で発生した摩擦熱が内部に入熱した場合であっても、この熱を放熱部２２Ｃから大気中に放熱することで、軸部材２の温度上昇を効果的に抑制することが可能となる。

最外径層２３は、略管状の雌部材として構成され、上述したように、嵌合孔２３Ａの内部に、最内径層２１が中間層２２を介在させて一体化される。また、最外径層２３と、最内径層２１及び中間層２２とを組み付けた際、最内径層２１のフランジ部２１Ａが、最外径層２３の機内側かつ真空槽側の端部２３ｂに当接する。図示例の最外径層２３の外周面２３ａの軸方向で概略中心付近に、ベアリング３３の位置決めを行う環状突起部２３ｃが形成されている。

最外径層２３の材質としても、磁性材料であれば特に限定されず、磁性流体シール構造１の用途を勘案しながら、外装材としての強度特性等を考慮した材料を選択することができる。最外径層２３に用いる磁性材料としては、オーステナイト・フェライト系、マルテンサイト系、析出硬化系のステンレス鋼、又は、鉄系材料の磁性材料を用いることができ、例えば、ＳＵＳ６３０等が挙げられる。

本実施形態の磁性流体シール構造１によれば、軸部材２は、複数の異種材料層が径方向で同心状に積層され、磁性流体を保持する最外径層２３が磁性材料からなる構成とされている。具体的には、内層側から、最内径層２１、中間層２２及び最外径層２３が組み合わされた構成とされている。そして、最内径層２１には、最外径層２３よりも熱伝導率の高い良熱伝導材料であって、中間層２２よりも強度の高い材料が用いられ、さらに、中間層２２には、最外径層２３よりも熱伝導率の高い良熱伝導材料が用いられる。磁性流体シール構造１は、上記構成により、最外径層２３近傍において摩擦熱が発生し、この摩擦熱が軸部材２の内層側に向けて入熱した場合であっても、この熱が熱伝導性の良い中間層２２を伝わって、外部に露出された放熱部２２Ｃから大気に向けて効率的に放熱される。

より具体的には、まず、図１に示す磁性流体シール構造１において、磁性流体７を介して配置された、磁極部材５と軸部材２のシール部２４との間で、軸部材２の高速回転に伴う摩擦熱が発生する。この摩擦熱は、図３の模式断面図に示すように、軸部材２の最外径層２３のシール部２４（外周面２３ａ）から入熱して内層側に伝わり、中間層２２に到達する。中間層２２に入熱した摩擦熱は、良熱伝導材料からなる中間層２２中を伝わって放熱部２２Ｃに導かれる（図中の矢印Ｃを参照）。そして、この熱が、放熱部２２Ｃから大気に放熱されることで、軸部材２の温度上昇を抑制することができ、ひいては、軸部材２全体の熱膨張を抑制できる。このように、軸部材２の熱膨張、特に径方向での寸法変化を抑制することにより、磁性流体を介して配置された、磁極部材５と軸部材２の最外径層２３のシール部２４との隙間Ｓの寸法変化も抑制されるので、高速回転時における優れたシール性を維持できる。従って、磁性流体シール構造１を、例えば、毎秒数十メートルの周速で回転シャフトを高速回転させるフライホイール装置等に適用した場合でも、回転シャフトの温度上昇及びそれに伴う熱膨張を抑制でき、安定したシール性で真空分離することが可能となる。

本実施形態の高速回転用磁性流体シール構造１の高速回転時の温度上昇特性について、本発明者等が回転数を変化させながら行った実験の結果を、従来の構造の特性と、磁性流体シールの連続運転可能な温度上限とともに図５のグラフに示す。
図５に示すように、従来の構造（改善前）の場合、回転数が高くなるにつれてシール部の温度が急激に上昇し、４６００（ｒｐｍ）時には約１５０℃に達していたのに対し、本実施形態の構造（改善後）では、４６００（ｒｐｍ）時のシール部の温度が約１００℃程度と、温度上昇が低く抑制されていることがわかる。これは、軸部材を上記構造とすることにより、最外径層近傍で発生した摩擦熱が熱伝導性の良い中間層を伝わり、外部に露出した放熱部から効率的に放熱されたためと考えられる。

上記構成とされた軸部材２のサイズや形状としては、特に限定されず、磁性流体シール構造１の用途を勘案しながら、適宜決定することができる。例えば、図１に示す磁性流体シール構造１を、フライホイール装置等の高速回転シャフトに適用することを想定した場合、軸部材２としての総外径を概ね４０ｍｍ以上とすることができる。

なお、軸部材２の最内径層２１と最外径層２３との間、もしくは、最内径層２１、中間層２２及び最外径層２３の各層の間、即ち、各層の接合面に図示略の介在層が配置されていてもよい。

また、本実施形態の磁性流体シール構造１における、最内径層、中間層及び最外径層に用いられる金属材料の組み合わせとしても、特に限定されない。例えば、図３に示す模式断面図において、最内径層２１として高強度材であるＳＵＳ４０３又はチタン合金、中間層２２としてアルミニウム、アルミニウム合金、銅（電気銅）、クロム銅等の銅合金の何れかの材料、そして、最外径層２３として磁性材であるＳＵＳ６３０を適宜組み合わせて用いてもよい。ここで、アルミニウムの熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるのに対し、銅は、熱伝導率が３８０〜４００Ｗ／ｍ・Ｋと高く、また、機械的強度特性にも優れていることから、中間層２２や最内径層２１に用いる材料として好ましい。

また、図１及び図２に示す例においては、軸部材２の放熱部２２Ｃが凹凸形状を有する放熱用フィンとして形成されているが、これには限定されず、例えば、ブラスト処理による梨地形状で放熱部を構成しても良く、この場合においても上記同様の放熱効果が得られる。

また、本実施形態においては、図示を省略するが、軸部材２の最内径層２１に、冷却用の液体を循環させるための液体循環回路が設けられていてもよい。最内径層２１に液体循環回路が設けられることで、軸部材２を、放熱部２２Ｃ等による放熱効果と併せて、効率的に冷却することが可能になる。

また、本実施形態では、軸部材２の表面の少なくとも一部、具体的には、最外径層２３の外周面２３ａや、最内径層２１の突出部２１Ｃの一部に、回転伝達が可能な図示略の歯車形状又はスプライン形状が形成されてもよい。このように、軸部材２に、回転伝達が可能な歯車形状又はスプライン形状が設けられることで、本実施形態の磁性流体シール構造１を、例えば、フライホイール装置等の各種用途において容易に適用することが可能となる。

上述のような軸部材２を製造する方法としては、特に限定されず、従来公知の嵌合方法を用いて、最内径層２１、中間層２２及び最外径層２３の各層を順次嵌合して製造することができる。

ここで、図２に示した軸部材２は、内層側から最内径層２１、中間層２２及び最外径層２３の３層構造として構成されているが、本実施形態においては、このような３層構造には限定されない。例えば、図４の断面図に示す例の軸部材２０のように、２種の異種材料層からなる２層構造とされ、最内径層２５が、最外径層２６よりも熱伝導率の高い良熱伝導材料であってもよい。即ち、図４に示す軸部材２０は、図２に示した軸部材２とは中間層が設けられていない点で大きく異なる。
図４に示す軸部材２０は、最内径層２５が略軸状の雄部材として構成され、図示例においては、フランジ状の放熱部２５ａと軸部２５ｂとを備える。

放熱部２５ａは、詳細な図示を省略するが、フランジ状に形成されており、最内径層２５と最外径層２６とを嵌合した後、軸部材２０の軸方向の所定の長さにわたって外周面が露出する部位である。また、放熱部２５ａは、最内径層２５の軸部２５ｂを最外径層２６の嵌合孔２６Ａ内に挿入した際に、最外径層２６の大気側端部が当接するストッパーとしても機能する。また、図４の模式図においては詳細な図示を省略しているが、放熱部２５ａは、図１及び図２に示した軸部材２と同様に、複数の凹部がフィン状に形成されてもよい。放熱部２５ａをフィン状に形成した場合には、この軸部材２０が高速回転することで摩擦熱が発生した際に、高い放熱効率を発揮して温度上昇を抑制することが可能となる。
従って、図２と図４より、本実施形態では、最内径層２１、２５又は中間層２２の内の少なくとも一部が、軸部材２、２０の軸方向の所定の長さにわたって外部に露出した放熱部２２ｃ、２５ａとされている。

軸部２５ｂは、フランジ状の放熱部２５ａから延びるように形成される軸状の部位であり、詳細な図示を省略するが、略丸棒状に形成されている。軸部２５ｂは、最外径層２６の嵌合孔２６Ａに嵌め込まれる部位となる。

最内径層２５の材質としては、軸部材２の最内径層２１と同じ材料を用いてもよく、例えば、アルミニウム材料や銅合金（クロム銅）等の良熱伝導材料を用いてもよい。
また、最外径層２６の材質としても、軸部材２に備えられる最外径層２３と同じ材料を用いてもよく、例えば、ステンレス鋼材料（ＳＵＳ６３０）等の磁性材料を用いてもよい。

本実施形態においては、図１及び図２に示した軸部材２に代えて、図４に示すような２層構造の軸部材２０を採用した場合でも、軸部材の放熱性を十分に向上させることができるので、軸部材２０の温度上昇及びそれに伴う熱膨張を抑制できる。これにより、最外径層２６と磁極部材との隙間の寸法変化が抑制され、優れたシール性を維持できるので、磁性流体シール構造１による安定した真空分離が可能となる。

なお、本実施形態の磁性流体シール構造１においては、上述した軸部材の層構造や材質の組み合わせによる適正化に加え、さらに、ハウジング部材３にも冷却構造を備えてもよい。具体的には、図示を省略するが、ハウジング部材３において、冷却用の液体注入口が備えられているとともに、磁極部材５の外径側に円環状溝が備えられており、上記の液体注入口から供給される冷却用の液体が磁極部材５の円環状溝に流通されてもよい。

このように、ハウジング部材３の液体注入口から磁極部材５の円環状溝に向けて冷却用の液体を供給可能な構成とすることで、磁力発生手段４及び磁極部材５を効率的に冷却することが可能となり、軸部材２を高速回転させた際に発生する摩擦熱で各部材の温度が上昇するのを効果的に抑制することが可能となる。

［作用効果］
本実施形態の高速回転用磁性流体シール構造１によれば、軸部材２を、回転シャフトとしての機能を満たしながら、内層側に熱伝導率に優れた異種材料層を配置するので、軸部材２に入熱した摩擦熱が外部に放熱され易くなり、軸部材２の放熱性が向上する。これにより、例えば、毎秒数十メートルの周速で回転シャフトを高速回転させた場合でも、軸部材２の温度上昇及びそれに伴う熱膨張を抑制できるので、安定した真空分離が可能となる。

なお、以上説明した実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は上記の実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明の高速回転用磁性流体シール構造は、例えば、フライホイール蓄電システム等に用いられる回転シャフトのシール構造に適用することで、回転シャフトの温度上昇に伴う熱膨張を抑制し、優れた真空分離機能を維持することが可能となる。

１ 高速回転用磁性流体シール構造（磁性流体シール構造）、２ 軸部材、３ ハウジング部材、４ 磁力発生手段、５ 磁極部材、６ パッキン部材、７ 磁性流体、２０ 軸部材、２１ 最内径層、２１Ａ フランジ部、２１Ｂ 軸部、２１ｂ 端部、２１Ｃ 突出部、２２ 中間層、２２Ｃ 放熱部、２３ 最外径層、２３Ａ 嵌合孔、２３ａ 外周面、２３ｂ 端部、２３ｃ 環状突起部、２４ シール部、２５ 最内径層、２５ａ 放熱部、２５ｂ 軸部、２６ 最外径層、２６Ａ 嵌合孔、３１ 円筒部、３２ フランジ部、３２Ａ 底部、３２Ｂ ボルト孔、３２Ｃ 段差、３２ａ 凹部、３３ ベアリング、３４ 支持部材、３５ 固定部材、Ｓ 隙間、Ａ 大気側（機外側）、Ｖ 真空側（機内側）

Claims (12)

1. 互いに回転可能な軸部材と、前記軸部材の周囲に配置されるハウジング部材との間の隙間を封止する高速回転用磁性流体シール構造であって、
   前記ハウジング部材に固定され、磁力を発生する磁力発生手段と、
   前記磁力発生手段の軸方向における両側に配置された磁極部材と、
   前記磁力発生手段の磁力によって、前記磁極部材と前記軸部材との間に磁気的に保持され、これらの間の隙間を密封する磁性流体と、を備え、
   前記軸部材は、複数の異種材料層が径方向で同心状に積層され、
   前記軸部材の、前記磁性流体を保持する最外径層が磁性材料であることを特徴とする高速回転用磁性流体シール構造。
2. 前記軸部材は、２種の異種材料層を有する２層構造とされ、最内径層が、前記最外径層よりも熱伝導率の高い良熱伝導材料であることを特徴とする請求項１に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
3. 前記軸部材の前記最内径層が、オーステナイト系、又は、マルテンサイト系のステンレス鋼、もしくは、チタン合金材料であることを特徴とする請求項２に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
4. 前記軸部材の前記最外径層が、オーステナイト・フェライト系、マルテンサイト系、析出硬化系のステンレス鋼、又は、鉄系材料の磁性材料であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
5. 前記軸部材は、さらに、前記最内径層と前記最外径層との間に中間層が設けられた３層構造とされ、前記中間層が前記最外径層よりも熱伝導率の高い良熱伝導材料であり、且つ、前記最内径層が前記中間層よりも強度の高い高強度材料であることを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
6. 前記軸部材の前記中間層が、常温での熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のアルミニウム、又は、銅を主成分とする請求項５に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
7. 前記軸部材の前記最内径層又は前記中間層の内の少なくとも一部が、前記軸部材の軸方向で外部に露出した放熱部であることを特徴とする請求項２〜請求項６の何れか一項に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
8. 前記放熱部が、凹凸形状を有する放熱用フィンであることを特徴とする請求項７に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
9. 前記放熱部が、ブラスト処理による梨地形状であることを特徴とする請求項７に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
10. 前記ハウジング部材に、冷却用の液体注入口が備えられ、前記磁極部材の外径側に円環状溝が備えられ、前記液体注入口から供給される冷却用の液体が前記円環状溝に流通されることを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
11. 前記軸部材の最内径層に、冷却用の液体を循環させる液体循環回路が設けられていることを特徴とする請求項２〜請求項１０の何れか一項に記載の高速回転用磁性流体シール構造。
12. 前記軸部材の表面の少なくとも一部に、回転伝達が可能な歯車形状又はスプライン形状であることを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の高速回転用磁性流体シール構造。

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