JPWO2017082282A1 - 磁性流体シール - Google Patents

Abstract

回転軸からシール膜に熱が伝わった場合においても、磁極部材を介してシール膜を冷却し、シール膜の寿命が長い磁性流体シールを提供する。
流体機械のハウジングから延びる回転軸２を内部に収容する外筒部材３と、外筒部材３に収容されるとともに回転軸２の周りに配置され、磁気回路を形成する磁極部材６Ａ，６Ｂと、磁気回路上に磁気的に接続され、磁極部材６Ａ，６Ｂと回転軸２の間に配置され、磁性流体１０Ａ，１０Ｂから成り軸方向に形成されるシール膜Ｍと、を有する磁性流体シール１であって、外部からの気体を磁極部材６Ａ，６Ｂに向けて流出させる給気路１９を有する。

Description

本発明は、例えば高温環境下で使用される磁性流体シールに関する。

従来、長寿命かつクリーンな高性能シールとして磁性流体シールが知られている。この磁性流体シールは、省メンテナンスで清浄な雰囲気が必要とされる半導体や液晶の製造工程や、これらの各種コーティング・エッチング工程において、広く使用されている。
磁性流体シールは、流体機械のハウジングに固定される外筒部材の内部に保持された磁極部材と、回転軸との間に形成される磁性流体から成るシール膜により、流体機械のハウジングと回転軸間の隙間をシールするものである。

これらの磁性流体シールにはシール膜が形成されているが、流体機械に密封される流体が例えば高温ガスである場合には、高温ガスから外筒部材に熱が伝わり、外筒部材の内部の磁極部材の温度が次第に上昇することで、磁性流体のシール膜の温度が上昇し、この温度上昇が過度となると磁性流体のベース液が蒸発し、シール膜のシール性を保てなくなることがある。このような熱の影響を考慮し、外筒部材のシール膜よりも機内側に給気路と排気路を設け、高温ガスがシール膜に近づき、接触するのを防止する磁性流体シールが提案されている。（特許文献１参照）。
このように給気路と排気路を設け、給気路から外筒部材の内部に気体を流入させると、回転軸と外筒部材との間の空間を経て、排気路へと折り返して流下する気体の流れが形成されるため、回転軸と外筒部材との間に機内側に向かう気体の流れを形成でき、これにより高温ガスのシール膜への移動が遮断される。

特開平５−２６３９４９号（５頁、図２）

しかしながら、このように回転軸に向けて気体を給気し、機内側に向かう気体の流れを生成すると、高温ガスがシール膜に近づくことを防ぐことはできるが、回転軸を伝わりシール膜に伝達される熱が磁極部材に蓄熱され充分に放熱できず、シール膜の温度が次第に上昇し、シール膜のベース液が蒸発する虞があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、回転軸からシール膜に熱が伝わった場合においても、磁極部材を介してシール膜を冷却し、シール膜の寿命が長い磁性流体シールを提供することを目的とする。

本発明の磁性流体シールは、
流体機械のハウジングから延びる回転軸を内部に収容する外筒部材と、
前記外筒部材に収容されるとともに前記回転軸の周りに配置され、磁気回路を形成する磁極部材と、
前記磁気回路上に磁気的に接続され、前記磁極部材と前記回転軸の間に配置され、磁性流体から成り軸方向に形成されるシール膜と、
を有する磁性流体シールであって、
外部からの気体を前記磁極部材に向けて流出させる給気路を有することを特徴としている。
この特徴によれば、給気路から磁極部材に向けて流出された気体が、磁極部材の軸方向端面に当たり磁極部材が熱交換により冷却されるため、シール膜に伝達された熱を、磁極部材を介して取り除くことができる。

前記供給路はノズルであり、
前記ノズルは、前記外筒部材の軸方向内端面と、前記磁極部材の軸方向端面とにより周方向に拡がる軸方向隙間に向いていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
この特徴によれば、ノズルから流出された気体が軸方向隙間において周方向に拡がって磁極部材と接触させられ、冷却効果を均一なものにすることができる。

前記軸方向隙間は、前記回転軸と前記外筒部材の間に形成される径方向隙間と連通されていることを特徴としている。
この特徴によれば、給気路から流出された気体が磁極部材と熱交換した後、回転軸と外筒部材の間の空間を軸方向機内側に流下するため、機内側の高温ガスを機内側に押し戻す方向に気体の流れが生じ、高温ガスが回転軸に沿って大気側に移動し、シール膜と接触することを防ぐことができ、高温ガスによるシール膜への熱の影響を抑えることができる。

前記外筒部材は、該外筒部材を冷却する冷却手段を有し、
軸方向に、前記軸方向隙間、前記磁極部材、前記冷却手段の順に設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、磁極部材の大気側の冷却手段と、機内側の給気路とにより軸方向に挟むことで、顕著な冷却効果を発揮することができる。

前記回転軸には、前記回転軸と前記外筒部材を相対回転可能に保持する軸受部材が配置されており、前記軸方向隙間、前記磁極部材、前記冷却手段、前記軸受部材の順に配設されていることを特徴としている。
この特徴によれば、冷却手段の冷却作用を軸受部材にも及ぼすことができ、シール装置全体の熱の影響による不具合を抑えることができる。

実施例１における本発明に係る磁性流体シールの正面断面図である。 実施例１における気体の流れを説明する部分拡大図である。

本発明に係る磁性流体シールを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。なお、以下の説明において、図１における左右方向を磁性流体シールの軸方向、上下方向を磁性流体シールの径方向と定義し、更に軸方向左側を軸方向機内側、軸方向右側を軸方向大気側と定義する。

まず、実施例１に係る磁性流体シールの構造について説明する。
図１に示されるように、本発明に係る磁性流体シール１は、主な機能を発揮するための部材として、流体機械の回転軸２に取付けられる磁極部材６Ａ，６Ｂ、この磁極部材６Ａ，６Ｂ間に設けられ、磁極部材６Ａ，６Ｂに磁極を形成させる磁力発生手段７、及び磁極部材６Ａ，６Ｂと回転軸２との間に形成される磁気回路に沿ってシール膜Ｍ，Ｍを形成する磁性流体１０Ａ，１０Ｂによりシール部１３が構成されている。このように、回転軸２に沿って形成されるシール膜Ｍ，Ｍにより、流体機器のハウジング（図示せず）に取付けられ、磁性流体シール１の外筒部材３と回転軸２との間の隙間をシールすることで、流体機器内に密封されたガス等（真空を含む）を密封できる構造となっている。

また、シール部１３の構造としては、外筒部材３（詳細は後述する）の外筒部３ｂの内部の軸方向端面に当たる突き当て面３ｄｓにカラー１７が介挿された状態で磁極部材６Ａが突き当てられ、磁極部材６Ａ，６Ｂが、その外周にＯリング１１Ｂが介挿された状態で、外筒部３ｂの内部に嵌入されている。また、シール部１３の軸方向大気側に位置する磁極部材６Ｂと当接してスペーサ８が嵌入されており、更にスペーサ８の軸方向大気側に一組のベアリング５が嵌入されている。また、ベアリング５の内輪は回転軸２の拡径部であるベアリングフランジ２ａとも軸方向に当接しており、外筒部材３と回転軸２の径方向に外輪、転動体とともに介在し、回転軸２が外筒部材３に対して円滑に相対回転可能に保持している。

また、ベアリング５の軸方向大気側には、ロックナット１４が回転軸２の端末に螺合により固定され、これによりベアリング５の内輪を軸方向機内側に押圧した状態でシール部１３を外筒部材３の外筒部３ｂの内部に固定している。また、ベアリング５の外輪の軸方向大気側には、エンドキャップ４が嵌められ、六角ボルト１２Ｂにより外筒部３ｂに固定されている。なお、回転軸２の端面には、回転軸２の回転状態を検出するエンコーダ部材１６が六角ボルト１２Ｃにより固定され、エンドキャップ４に設けられた電気機器１５（フォトセンサ等）により、回転の位置や回転中心などの位置検出を行っている。尚、この電気機器１５は一般的に熱に弱い部品からなる。

次に、外筒部材３は金属製であり、流体機器のハウジングに取付けられるフランジ部３ａと、シール部１３、スペーサ８及びベアリング５が内部に設けられる外筒部３ｂと、フランジ部３ａと外筒部３ｂの間に形成される径方向に小径の小径部３ｃにより構成されている。フランジ部３ａは、径方向に大径の円盤状であり、流体機器のハウジングに固定される取付け面３ａｓ側にＯリング１１Ｃが設けられ、複数の取付け穴３ｅが周方向に設けられている。また、外筒部３ｂの外周には、断面凹状の冷却溝３ｄが磁極部材６Ｂとベアリング５の軸方向略中央の位置に周方向に沿って設けられ、冷却溝３ｄはＯリング１１Ａが介挿された状態で外筒カバー９により液密に保持されている。

ここで、外筒カバー９の周方向の所定の位置には、流入口９ｂを備えた固定部材９ａが設けられている。この固定部材９ａに挿入される六角ボルト１２Ａにより、フランジ部３ａに固定部材９ａが固定されることにより、外筒部３ｂの外周部に外筒カバー９が固定されることになる。
また、固定部材９ａの流入口９ｂから冷却溝３ｄに冷却液を流入させることで、後述の冷却作用を発揮できる構造となっている。

次に、フランジ部３ａの径方向端面には、高圧ガスｇを流入させるガスポート１８が設けられている。このガスポート１８はフランジ部３ａの内部に径方向路及びこれに連通する軸方向路により構成されるガス流路１９（供給路）を経由して給気口２０まで連通しており、ガスポート１８から外筒部材３の内部に流入された高圧ガスは給気口２０から磁極部材６Ａの軸方向機内側端面６Ａｓに向けて排出される構造となっている。また、高圧ガスとしては化学的に安定なアルゴンや窒素を採用することができる。

次に、磁性流体シール１の温度状態について説明する。
流体機械は内部に高温ガスを密封して使用されていることがあり、このような高温ガスは、機内の温度が一定の温度以下になると気体から固体となり、副生成物が生成される。この副生成物の生成により、シール膜Ｍ，Ｍの周辺に副生成物が付着することで、シール膜Ｍ，Ｍに入り込むことがあり、シール膜Ｍ，Ｍのシール性が悪くなるとともに、流体機械が製造設備である場合は、製造設備により製造された製造物の品質の劣化につながるため、一定の温度Ｔｇより高く保つ必要がある。この一定の温度Ｔｇは、流体機械が密封するガスの種類により異なるが、本説明ではＴｇ＞１５０℃と設定する。

ここで、図１に示されるように、磁性流体シール１の軸方向機内側に設けられるフランジ部３ａは、流体機械のハウジングと当接して固定されている。また、回転軸２は流体機械の内部から連続して延設されている。更に、流体機械の内部と磁性流体シール１のシール膜Ｍ，Ｍとの間には、密封流体が充満している。磁性流体シール１に流体機械の内部の熱が伝わり、この熱により磁性流体シール１に悪影響を与えることがある。

ここで、磁性流体シール１においてシール膜Ｍ，Ｍを形成する磁性流体１０Ａ，１０Ｂは、磁性を有する強磁性微粒子と、その表面を覆う界面活性剤、及び水や油から成るベース液の３つで構成される溶液である。
そして、磁性流体１０Ａ，１０Ｂは、高温環境下ではベース液である水や油が蒸発し、液体としての状態を保てずに流動性を失ってしまうことにより、回転軸２の外周面との摩擦によりシール膜Ｍ，Ｍが分断され、磁性流体１０のシール膜Ｍ，Ｍのシール性を維持できない状態となる。これを防ぐためには、磁性流体１０を常に耐熱温度Ｔｓより低く保つ必要がある。この耐熱温度Ｔｓは、磁性流体の種類によっても異なるが、本説明ではＴｓ＜１５０℃と設定する。

また、回転軸２と外筒部３ｂを径方向に保持するベアリング５も、熱により耐久性が悪くなるという悪影響や、熱により変形し、回転精度を欠くという悪影響を受けることがある。これを防ぐためには、ベアリング５を常に耐熱温度Ｔｂより低く保つ必要がある。この耐熱温度Ｔｂは、ベアリングに使用される構成部品の材質により異なるが、本説明ではＴｂ＜１００℃と設定する。また、回転検出の精度の点では、回転位置や回転中心などの位置検出を行う電気機器部品も同様で、電気機器１５の耐熱温度以上の熱を受けると回転検出の精度を欠き、流体機器として用いることが出来なくなる恐れがある。

次に、流体機械から磁性流体シール１への熱の伝達作用について詳述すると、熱伝達の主なルートとしては、一つ目のルートとして、フランジ部３ａから外筒部３ｂへ熱が伝わり、外筒部３ｂから磁極部材６に熱が伝わり、磁極部材６から磁性流体１０に熱が伝わるという外筒部材３を経由する固体熱伝導がある。次に、二つ目のルートとして、回転軸２から磁性流体１０に熱が伝わるという回転軸２を経由する固体熱伝導がある。更に、三つ目のルートとして、回転軸２と外筒部材３の間の隙間から高温ガスＶを介して磁性流体１０に熱が伝わるという密封流体を経由する気体熱伝導がある。また、これらは同時に起こる現象となっている。なお、厳密には熱輻射による熱伝達のルートも存在しているが、影響が少ないために説明を省略する。
ここで、比較的影響の大きな熱伝達のルートとして、三つ目のルートである回転軸２と外筒部材３の間の隙間から高温ガスＶを介して磁性流体１０に熱が伝わるという密封流体を経由する気体熱伝導が挙げられる。その理由としては、他の伝達ルートと異なり、密封流体である高温ガスが直接シール膜Ｍ，Ｍである磁性流体１０Ａ，１０Ｂと接触するからである。

この点において、本発明の磁性流体シール１においては、フランジ部３ａの径方向端面に、高圧ガスｇを流入させるガスポート１８が設けられているため、三つ目の伝達ルートによりシール膜Ｍ，Ｍに伝達された熱を奪うことが可能となっている。
この高圧ガスｇの流れについて詳述すると、図２に示されるように、フランジ部３ａの軸方向機内側には図示しない流体機械の内部に高温ガスＶが充満している。この状態において、ガスポート１８から高圧ガスｇを流入すると、高圧ガスｇはガス流路１９を径方向に流下した後に軸方向に方向変換される。そして、高圧ガスｇは、外筒部３ｂの軸方向機内側に位置する突き当て面３ｄｓに設けられた給気口２０から、磁極部材６Ａの軸方向機内側端面６Ａｓに向けて軸方向隙間Ａ_１内に放出されることになる。この軸方向隙間Ａ_１は、磁極部材６Ａと突き当て面３ｄｓが対向している空間であり、介挿されたカラー１７の厚み分だけ、軸方向に幅を有する空間となっている。

このように、高圧ガスｇが軸方向機内側端面６Ａｓに向けて放出されることで、熱交換により磁極部材６Ａの熱を奪うため、磁極部材６Ａと接触する磁性流体１０Ａにより形成されるシール膜Ｍの熱が磁極部材６Ａを介して高圧ガスｇにより奪われることになり、シール膜Ｍの温度上昇を防ぐことができる。これにより、シール膜Ｍを形成する磁性流体１０Ａのベース液の蒸発を抑え、シール性を長期間維持することが可能となっている。

また、軸方向隙間Ａ_１は回転軸２に沿って周方向に形成されているため、軸方向隙間Ａ_１に放出された高圧ガスｇは、次第に磁極部材６Ａの軸方向機内側端面６Ａｓの周方向に沿って流下してゆく。このため、軸方向機内側端面６Ａｓの全周に亘って磁極部材６Ａに冷却作用を及ぼすことができ、冷却効果を均一なものとすることができる。

次に、軸方向隙間Ａ_１は、回転軸２と、外筒部材３のフランジ部３ａの内周面との間に形成される径方向隙間Ａ_２と連通しており、軸方向隙間Ａ_１の周方向に沿って流下した高圧ガスｇは、次第に径方向隙間Ａ_２に流下し、軸方向機内側に位置する流体機械の機内に流下することになる。このように高圧ガスｇが径方向隙間Ａ_２を機内側に流下してゆくことで、回転軸２と接触し、高温ガスＶから伝達された回転軸２の熱を奪うとともに、径方向隙間Ａ_２内に軸方向機内側に向かう高圧ガスｇの流れが形成されることになる。この高圧ガスｇの軸方向機内側に向かう流れは、高温ガスＶがシール膜Ｍ，Ｍの近傍に近づく流れと対向しているため、高温ガスＶがシール膜Ｍ，Ｍの近傍に移動してくるのを防ぐことができる。

また、本発明の磁性流体シール１は、外筒部材３の外筒部３ｂであって、軸方向において磁極部材６Ｂとベアリング５の間に、冷却手段としての冷却溝３ｄが設けられている。このため、シール部１３及びベアリング５を冷却溝３ｄに流す冷却液により冷却することができるため、高温機内側の影響を受けずに、左右の磁性流体１０Ａ，１０Ｂの温度環境を近い状態に維持し、適度に冷却することが容易となっている。

また、その耐熱温度Ｔｂが磁性流体１０の耐熱温度Ｔｓよりも低いベアリング５が冷却溝３ｄの軸方向大気側に位置することで、ベアリング５の温度上昇を防ぎやすい構成となっている。

ここで、密封流体に冷却手段が与える影響について考えると、冷却手段による冷却効果により、磁性流体１０Ａよりも軸方向機内側に充満している密封流体である高温ガスの温度が１５０℃よりも下がり、これにより副生成物が生成されることを防ぐ必要がある。このような点を考慮し、冷却溝３ｄの軸方向の位置や冷却水の流量を決めることが望ましい。より具体的には、Ｔｇが１５０℃以上となるように高温ガスの温度が決められ、Ｔｓ＜１５０℃、Ｔｂ＜１００℃となるように、冷却溝３ｄの軸方向の位置や冷却水の流量を設定する必要がある。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、上記実施例においては、給気口２０を一箇所設けた例について説明したが、この態様に限られず、複数の給気口２０を突き当て面３ｄｓの周方向に複数設けても良いし、それに伴いガスポート１８やガス流路１９を複数設けても良い。

また、給気口２０から供給され、高圧ガス２０の流れが磁極部材６Ａに対し直交する方向の場合について説明したが、他の方向、例えば周方向成分を持って磁極部材６Ａに向けられていてもよい。この場合、周方向に均一に高圧ガスｇを供給することができる。

１ 磁性流体シール
２ 回転軸
３ 外筒部材
３ａ フランジ部
３ｂ 外筒部
３ｄ 冷却溝（冷却手段）
５ ベアリング（軸受部材）
６ 磁極部材
６Ａｓ 軸方向機内側端面
７ 磁力発生手段
１０ 磁性流体
１８ ガスポート
１９ ガス流路（供給路）
２０ 給気口
Ａ_１ 軸方向隙間
Ａ_２ 径方向隙間
Ｍ シール膜
ｇ 高圧ガス
Ｖ 高温ガス

Claims (5)

1. 流体機械のハウジングから延びる回転軸を内部に収容する外筒部材と、
   前記外筒部材に収容されるとともに前記回転軸の周りに配置され、磁気回路を形成する磁極部材と、
   前記磁気回路上に磁気的に接続され、前記磁極部材と前記回転軸の間に配置され、磁性流体から成り軸方向に形成されるシール膜と、
   を有する磁性流体シールであって、
   外部からの気体を前記磁極部材に向けて流出させる給気路を有することを特徴とする磁性流体シール。
2. 前記供給路はノズルであり、
   前記ノズルは、前記外筒部材の軸方向内端面と、前記磁極部材の軸方向端面とにより周方向に拡がる軸方向隙間に向いていることを特徴とする請求項１に記載の磁性流体シール。
3. 前記軸方向隙間は、前記回転軸と前記外筒部材の間に形成される径方向隙間と連通されていることを特徴とする請求項２に記載の磁性流体シール。
4. 前記外筒部材は、該外筒部材を冷却する冷却手段を有し、
   軸方向に、前記軸方向隙間、前記磁極部材、前記冷却手段の順に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁性流体シール。
5. 前記回転軸には、前記回転軸と前記外筒部材を相対回転可能に保持する軸受部材が配置されており、前記軸方向隙間、前記磁極部材、前記冷却手段、前記軸受部材の順に配設されていることを特徴とする請求項４に記載の磁性流体シール。

Images