KR102144274B1

KR102144274B1 - 자성유체 실링장치

Info

Publication number: KR102144274B1
Application number: KR1020167012347A
Authority: KR
Inventors: 야스유키 시마자키
Original assignee: 가부시키가이샤 리가쿠
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2020-08-13
Also published as: JP6029241B2; US20160312899A1; WO2015098202A1; CN105705808A; US9746084B2; CN105705808B; KR20160102158A; DE112014005874T5; JP2015121263A

Abstract

하우징(3) 내에 폴 피스(6)로 끼운 상태로 짝수개의 자석(5)을 구성한다. 회전축(2)은, 하우징(3)의 중공부(3a) 내에 있고, 기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)보다 기밀실(1) 가까이에 경계를 마련하며, 그 경계보다 기밀실(1) 가까이의 영역을 비자성 재료로 형성한다. 하우징(3)은, 기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)와 접촉하는 부위로부터 기밀실(1) 가까이의 영역을 자성 재료로 형성한다.

Description

자성유체 실링장치{MAGNETIC FLUID SEALING APPARATUS}

이 발명은, 기밀실 내에 일부 영역이 삽입되는 회전축을, 기밀실 내의 기밀성을 유지한 채로 지지하는 자성유체 실링장치에 관한 것이다.

산업계에 있어서는, 내부가 기밀하게 차폐된 공간 내를 외부의 압력과 다른 압력상태, 즉 차압상태로 유지하고, 그 차압상태 하에서 여러 가지의 처리를 행하도록 한 각종의 장치가 존재한다. 또, 그 차압상태에 더하여 내부를 방진상태, 혹은 특수한 가스 분위기 상태로 유지한 상태에서 여러 가지의 처리를 행하는 경우도 있다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼의 감압처리장치, 진공건조기, 회전대 음극형식의 X선 발생장치나 전자현미경의 내부 등에 있어서는, 진공으로 감압된 방진상태하에서 소정의 처리가 행해진다. 자성유체 실링장치는, 그들의 소정의 처리가 행해지는 공간영역(기밀실 내)과 대기압 영역 2개의 공간영역을 서로 차폐하기 위해서 이용된다.

종래의 자성유체 실링장치는, 통 형상을 한 하우징의 양단 부근의 내벽에 베어링을 삽입 구성하고, 이들 베어링으로 회전축을 회전 가능하게 지지하고 있다. 또한, 하우징 내에 자석을 내장하고, 자석과 회전축 사이의 빈틈에 자성유체를 충전하여 밀폐성을 높인 구성으로 되어 있다. 자성유체는, 자석의 주위에 생긴 자장에 의하여 자석과 회전축 사이의 빈틈에 유지된다.

특허문헌 1은, 이러한 종류의 구조를 구비한 종래의 자성유체 실링장치를 개시하고 있다.

그런데, 상술한 바와 같이 자성유체 실링장치는 자석을 내장하고 있기 때문에, 자석 주위에 자장이 생기는 것은 피할 수 없다. 그런데, 자성유체 실링장치가 적용되는 대상장치에 따라서는, 이 자장이 그 대상장치의 성능에 악영향을 미칠 우려가 있었다. 예를 들면, 전자선을 사용하는 전자현미경이나, 전자총으로부터 대음극(타겟)을 향하여 전자를 충돌시켜 대음극의 표면으로부터 X선을 발생시키는 X선 발생장치 등을 대상장치로 하는 경우이다. 이들 장치에서는, 기밀실 내부에서 전자가 취급되기 때문에, 자성유체 실링장치의 자석에 의하여 발생한 자장이 대상장치의 기밀실 내로 누설된 경우, 전자의 궤도가 누설 자장에 의하여 본래의 궤도로부터 빗나가 버리는 등의 악영향이 염려된다.

일본 공개특허공보 평11－166633호

본 발명은 상술한 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 기밀실 측에의 자장의 누설을 억제한 자성유체 실링장치의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은, 기밀실 내에 일부 영역이 삽입되는 회전축을, 기밀실 내의 기밀성을 유지한 채로 지지하는 자성유체 실링장치로서,

기밀실과 그 외부공간을 구분하는 경계부에 설치됨과 함께, 회전축을 삽입 통과하는 중공부(中空部)를 가지는 하우징과,

하우징에의 축 방향으로 임의의 간격을 두고 늘어서 구성되는 복수개의 자석과,

복수개의 자석을 사이에 두도록 하우징에 삽입 구성하고, 또, 지름방향의 안쪽 단면을 회전축의 둘레면과 대향하여 배치된 복수개의 폴 피스(pole pieces)(자극편)와,

폴 피스에 있어서의 지름방향의 안쪽 단면과 회전축의 둘레면과의 사이에 충전되는 자성유체를 구비하고 있다.

여기서, 자석은, 각 자석의 대향하는 축 방향의 단면을 같은 극으로서 짝수개를 하우징으로 삽입 구성되어 있다.

또, 폴 피스는, 자성 재료로 형성되어 있다.

그리고, 회전축은, 하우징의 중공부 내에 있고, 기밀실에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스보다 기밀실 가까이에 경계를 마련하고, 상기 경계보다 외부공간 가까이의 영역이 자성 재료로 형성되며, 한편, 상기 경계보다도 기밀실 가까이의 영역이 비자성 재료로 형성되어 있다.

또한, 하우징은, 기밀실에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스와 접촉하는 영역으로부터, 상기 영역보다도 외부공간에 가까운 쪽이며 또 상기 폴 피스와 인접하는 폴 피스에는 접촉하지 않는 영역까지의 사이에 경계를 마련하고, 상기 경계보다도 기밀실 가까이의 영역이 자성 재료로 형성되며, 한편, 상기 경계보다도 외부공간 가까이의 영역이 비자성 재료로 형성되어 있다.

본 발명자들은, 이와 같이 구성함으로써, 자석 주위에 발생하는 자장이 퍼지고, 특히 기밀실 방향에의 자장의 확대를 억제할 수 있는 것을 실험적으로 찾아낼 수 있었다.

한편, 하우징의 축 방향에의 치수 확대에 의한 대형화를 억제하기 위해서, 자석은 하우징에 2개 또는 4개로 구성하는 것이 바람직하다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 자성유체 실링장치의 기본 구조를 나타내는 정면 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 실시형태에 따른 자성유체 실링장치의 특징적 구조를 설명하기 위한 반단면도이다. 다만, 단면을 나타내는 해칭(hatching)은 생략되어 있다(도 3, 도 5, 도 7, 도 8도 동일함).
도 3은, 본 발명에 따른 자성유체 실링장치의 실험예 1을 설명하기 위한 반단면도이다.
도 4는, 실험예 1의 측정결과를 나타내는 표이다.
도 5는, 본 발명에 따른 자성유체 실링장치의 비교예 1을 설명하기 위한 반단면도이다.
도 6은, 비교예 1의 측정결과를 나타내는 표이다.
도 7은, 본 발명에 따른 자성유체 실링장치의 실험예 2를 설명하기 위한 반단면도이다.
도 8은, 본 발명에 따른 자성유체 실링장치의 비교예 2를 설명하기 위한 반단면도이다.

이하, 이 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

〔기본 구조〕

우선, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시형태에 따른 자성유체 실링장치의 기본 구조를 설명한다.

본 실시형태에 따른 자성유체 실링장치는, 동(同) 장치가 적용되는 대상장치의 기밀실(1)의 벽면(1a)에 장착되고, 기밀실(1) 내에 일부 영역이 삽입되는 회전축(2)을 회전 가능하게 지지함과 함께, 기밀실(1) 내의 기밀성을 유지하는 기능을 가지고 있으며, 하우징(3), 베어링(4), 자석(5), 폴 피스(6)(자극편), 자성유체(7)를 주요한 구성부품으로서 구비하고 있다.

하우징(3)은, 자성유체 실링장치의 케이스를 구성하는 부품이며, 내부에 일단으로부터 타단으로 관통하는 단면 원형을 한 중공부(3a)가 형성되어 있다. 회전축(2)은, 이 중공부(3a)를 삽입 통과하고 일부가 기밀실(1) 내에 삽입된다. 또, 하우징(3)의 일단부 외면에는 플랜지부(3b)가 형성되어 있고, 이 플랜지부(3b)가 도시하지 않은 볼트 등의 체결구를 이용하여 기밀실(1)의 벽면(1a)에 고정되며, 이것에 의해 본 자성유체 실링장치가, 기밀실(1)과 그 외부공간(100)을 구분하는 경계부에 배치된다.

베어링(4)은, 하우징(3)의 양 단부 근처에, 각각 중공부(3a)의 둘레면에 지지면을 노출한 상태로 구성되어 있다. 중공부(3a)에 삽입 통과된 회전축(2)은, 이들의 베어링(4)에 의하여 회전 가능하게 지지된다.

하우징(3)의 내부에는, 짝수개의 자석(5)이 임의의 간격을 두고 축 방향으로 구성되어 있다. 여기서, 짝수개의 자석(5)은, 각 자석(5)의 대향하는 축 방향의 단면이 같은 극이 되는 배치를 가지고 구성되어 있다. 예를 들면, 2개의 자석(5)을 구성하는 경우는, 각 자석(5)의 대향하는 단면이 S극 또는 N극이 되도록 배치한다. 마찬가지로 4개의 자석(5)을 구성하는 경우는, 예를 들면, 왼쪽에서 1개째와 2개째의 자석(5)의 대향하는 단면을 각각 S극(또는 N극)으로 하면, 2개째와 3개째 자석(5)의 대향하는 단면은 각각 N극(또는 S극)으로 하며, 3개째와 4개째의 자석(5)의 대향하는 단면은 각각 S극(또는 N극)으로 하면 좋다.

또한, 하우징(3)의 내부에는, 복수개의 자석(5)을 끼워 넣고 복수개의 폴 피스(6)(자극편)가 구성되어 있다. 이들의 폴 피스(6)는 자성 재료로 형성되어 있고, 지름방향의 안쪽 단면을 회전축(2)의 둘레면과 대향하여 배치되어 있다.

그리고, 서로 대향하는 폴 피스(6)의 안쪽 단면과 회전축(2)의 둘레면과의 사이에, 자성유체(7)가 충전되어 있다. 이 자성유체(7)는, 비자성의 유체매체에 자성체의 금속 미립자를 콜로이드상으로 분산시킴으로써 형성된 유체이다. 예를 들면, 탄화수소, 탄화 불소, 혹은 지방산 등의 유체에 페라이트 또는 그 외의 자성체 분말을 분산한 유체를 이용할 수 있다.

충전된 자성유체(7)는, 자석(5)의 각각으로부터 나와 각 폴 피스(6) 및 회전축(2)의 자성 재료부분을 통과하는 자기 폐회로를 구성하는 자속(磁束)에 집중하여, 자성유체막을 구성한다. 이렇게 하여 형성된 자성유체막에 의하여 기밀실(1)과 외부공간(100)이 차단되어, 기밀실(1) 내의 기밀상태가 유지된다.

한편, 도 1에 나타내는 바와 같이, 서로 대향하는 폴 피스(6)의 안쪽 단면과 회전축(2) 둘레면 중 어느 한쪽 또는 쌍방에 둘레방향으로 연장하는 복수체의 홈을 형성하고, 이 홈 내에 자성유체(7)를 충전하면, 자성유체(7)를 한층 더 강고하게 상기 개소로 둘 수 있어 바람직하다.

상술한 구성의 자성유체 실링장치에 있어서, 회전축(2)과 하우징(3)은, 자성 재료와 비자성 재료를 조합한 구성으로 되어 있다. 여기서, 자성 재료라고 하는 것은, 자석(5)에 의하여 자화되는 성질을 가지는 재료를 말하고, 비자성 재료라고 하는 것은, 자석(5)을 가까이해도 자화되지 않는 성질을 가지는 재료를 말한다.

구체적으로는 도 2에 나타내는 바와 같이, 회전축(2)은, 하우징(3)의 중공부(3a) 내에 있고, 기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)보다 기밀실(1) 가까이에 있는 영역(S2＋S3) 내에 비자성 재료와 자성 재료의 경계(S0)가 설정되어 있으며, 그 경계(S0)보다 외부공간(100) 가까이의 영역(2X)을 자성 재료로 형성함과 함께, 그 경계(S0)보다 기밀실(1) 가까이의 영역(2Y)을 비자성 재료로 형성한 구성으로 되어 있다.

또, 하우징(3)은, 기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)와 접촉하는 영역(H3a)으로부터, 상기 영역보다 외부공간(100)에 가까이에 있으며, 또 상기 폴 피스(6)와 인접하는 폴 피스(6)에는 접촉하지 않는 영역(H3b)까지의 임의의 부위를 경계(H0)로 하고, 상기 경계(H0)보다 기밀실(1) 가까이의 영역(3X)을 자성 재료로 형성함과 함께, 상기 경계 부위보다 외부공간(100) 가까이의 영역(3Y)을 비자성 재료로 형성한 구성으로 되어 있다.

이와 같이 회전축(2)과 하우징(3)을 구성함으로써, 자석(5)으로부터 발생하는 자력선이 회전축(2)의 자성 재료의 영역으로부터, 하우징(3)의 자성 재료의 영역으로 이끌려 자석(5)으로 귀환하는 자기회로가 형성되어, 기밀실(1) 방향에의 자장의 확대가 억제된다.

여기서, 회전축(2) 및 하우징(3)의 자성 재료부분은, 예를 들면 철강재료에 의하여 형성되고, 비자성 재료부분은 비자성 금속재료나 합성수지 등에 의하여 형성할 수 있다. 양 부분의 이음매는, 마찰 압접에 의한 확산 접합에 의한 접합방법이 강고하고 또 매끄러운 표면을 얻을 수 있어 바람직하지만, 이것으로 한정되지 않고 용접이나 나사 결합, 혹은 그 외 임의의 방법에 따라 접합할 수 있다.

〔실험예 1〕

다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 자성유체 실링장치의 실험예 1에 대하여 설명한다.

본 발명자는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 하우징(3) 내에 2개의 자석(5)을, 각 자석(5)의 대향하는 축 방향의 단면을 같은 극으로서 조립된 구성의 자성유체 실링장치를 이용하고, 다음의 (1),(2)에 나타내는 조건을 적당히 변경하면서, 회전축(2)의 기밀실 측의 단면으로부터 중심축을 따라 10㎜의 거리만큼 이간한 지점 A에 있어서의 자장의 세기와, 마찬가지로 50㎜의 거리만큼 이간한 지점 B에 있어서의 자장의 세기를 계측했다.

(1) 회전축(2)에 있어서의 다음의 S1∼S3의 영역을, 자성 재료나 비자성 재료 중 어느 하나로 설정한다.

S1：하우징(3)보다 기밀실(1) 측으로 노출한 영역

S2：하우징(3)의 기밀실(1) 측단면으로부터 플랜지부(3b)의 두께분만큼 중공부(3a) 내에 구성된 영역

S3：하우징(3)의 중공부(3a) 내이며 플랜지부(3b)보다 외부공간(100)에 가까우며, 또 기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)보다 기밀실(1)에 가까운 영역

(2) 하우징(3)에 있어서의 다음의 H1∼H4의 영역을, 자성 재료나 비자성 재료 중 어느 하나로 설정한다.

H1：플랜지부(3b)에 형성된 영역

H2：플랜지부(3b)보다 외부공간(100)에 가까우며, 또 기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)보다 기밀실(1)에 가까이운 영역

H3：기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)와 접촉하는 영역(도 2의 H3a)

H4：H3의 영역단으로부터, 기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)와 인접하는 폴 피스(6)와 접촉하는 중앙부까지의 영역

측정결과는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 회전축(2)에 있어서의 자성 재료의 영역 및 비자성 재료의 영역과, 하우징(3)에 있어서의 자성 재료의 영역 및 비자성 재료의 영역과의 조합을 적당히 변경하여, 지점 A 및 지점 B에서의 자장의 세기를 계측한 결과, 하우징(3)의 H1, H2 및 H3의 영역(H1＋H2＋H3)을 자성 재료로 형성하고, 그 외의 영역을 비자성 재료로 형성함과 함께, 회전축(2)에 있어서의 S1 및 S2의 영역(S1＋S2)을 비자성 재료로 형성하며, 그 외의 영역을 자성 재료로 형성한 구조에 있어서, 지점 A 및 지점 B 모두 자장의 세기가 현저하게 저감했다(데이터 No.7).

즉, 하우징(3)은 플랜지부(3b)만을 자성 재료로 해도 충분한 자기 실드 효과를 얻을 수 없다. 기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)에 접촉하는 영역까지 자성 재료로 하는 것으로, 자기회로가 닫히기 때문에 실드 효과가 발휘된다. 한편, 자성 재료의 부위가 자석(5)을 걸쳐버리면 자성유체(7)의 자장이 감소(3할 감소)해 버리기 때문에, 기밀실(1)에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스(6)와 인접하는 폴 피스(6)를 하우징(3)의 자성 재료부분에서 연결하는 것은 바람직하지 않다.

회전축(2)은, 자성 재료부분이 하우징(3)의 중공부(3a)로부터 기밀실(1)측으로 나와 버리면, 자기 누설 선단부가 실드 외부로 나오게 되기 때문에 누설이 커진다. 하우징(3)의 중공부(3a) 내에서 자성 재료와 비자성 재료의 경계위치를 변경해도 자기 누설에 큰 차이는 없지만, 자성유체(7)보다 기밀실(1) 가까이에 상기 경계를 배치했을 때 가장 자기 누설이 작아진다.

〔비교예 1〕

다음으로, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 자성유체 실링장치의 비교예 1에 대하여 설명한다.

본 발명자는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 하우징(3) 내에 1개의 자석(5)을 삽입한 구성의 자성유체 실링장치를 이용하고, 상술한 (1),(2)에 나타내는 조건을 적당히 변경하면서, 회전축(2)의 진공실측의 단면으로부터 중심축을 따라 10㎜의 거리만큼 이간한 지점 A에 있어서의 자장의 세기와, 마찬가지로 50㎜의 거리만큼 이간한 지점 B에 있어서의 자장의 세기를 계측했다.

측정결과는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 어느 계측결과도 바람직하지 않고, 지점 A 및 지점 B에 이르는 광범위한 자기누설이 관찰되었다.

〔실험예 2〕

다음으로, 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 자성유체 실링장치의 실험예 2에 대하여 설명한다.

본 발명자는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 하우징(3) 내에 4개의 자석(5)을, 각 자석(5)의 대향하는 축 방향의 단면을 같은 극으로 하여 조립된 구성의 자성유체 실링장치를 이용하고, 회전축(2)의 기밀실측의 단면으로부터 중심축을 따라 10㎜의 거리만큼 이간한 지점 A에 있어서의 자장의 세기와, 마찬가지로 50㎜의 거리만큼 이간한 지점 B에 있어서의 자장의 세기를 계측했다.

회전축(2)은, S1＋S2의 영역을 비자성 재료, 그 외의 영역을 자성 재료로 했다.

하우징(3)은, H1＋H2＋H3의 영역을 자성 재료, 그 외의 영역을 비자성 재료로 했다.

측정결과는, 지점 A에 있어서의 자장의 세기는 68.7μT, 지점 B에 있어서의 자장의 세기는 5.7μT이며, 모두 지극히 낮은 자장의 세기였다.

〔비교예 2〕

다음으로, 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 자성유체 실링장치의 비교예 2에 대하여 설명한다.

본 발명자는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 하우징(3) 내에 3개의 자석(5)을, 각 자석(5)의 대향하는 축 방향의 단면을 같은 극으로 하여 조립된 구성의 자성유체 실링장치를 이용하고, 회전축(2)의 기밀실측의 단면으로부터 중심축을 따라 10㎜의 거리만큼 이간한 지점 A에 있어서의 자장의 세기와, 마찬가지로 50㎜의 거리만큼 이간한 지점 B에 있어서의 자장의 세기를 계측했다.

측정결과는, 지점 A에 있어서의 자장의 세기는 452.4μT, 지점 B에 있어서의 자장의 세기는 73.4μT이며, 모두 지극히 큰 자장의 세기였다.

한편, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않고, 자성유체 실링장치의 세부 구조 등 필요에 따라서 적당히 설계 변경할 수 있는 것은 물론이다.

1：기밀실 1a：기밀실의 벽면
2：회전축 2X：자성 재료의 영역
2Y：비자성 재료의 영역 3：하우징
3X：자성 재료의 영역 3Y：비자성 재료의 영역
3a：중공부 3b: 플랜지부
4：베어링 5: 자석
6：폴 피스(자극편) 7：자성유체
100：외부공간

Claims

기밀실 내에 일부 영역이 삽입되는 회전축을, 상기 기밀실 내의 기밀성을 유지한 채로 지지하는 자성유체 실링장치로서,
상기 기밀실과 그 외부공간을 구분하는 경계부에 설치됨과 함께, 상기 회전축을 삽입 통과하는 중공부(中空部)를 가지는 하우징과,
상기 하우징에의 축 방향으로 임의의 간격을 두고 늘어서 구성되는 복수개의 자석과,
상기 복수개의 자석을 사이에 두도록 상기 하우징에 구성되고, 또, 지름방향의 안쪽 단면을 상기 회전축의 둘레면과 대향하여 배치된 복수개의 폴 피스(pole pieces)와,
상기 폴 피스에 있어서의 지름방향의 안쪽 단면과 상기 회전축의 둘레면과의 사이에 충전되는 자성유체를 구비하고,
상기 자석은, 각 자석의 대향하는 축 방향의 단면을 같은 극으로서 짝수개를 상기 하우징으로 삽입 구성하고,
상기 폴 피스는, 자성 재료로 형성되며,
상기 회전축은, 상기 하우징의 중공부 내에 있고, 상기 기밀실에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스보다 기밀실 가까이에 경계를 마련하며, 상기 경계보다 외부공간 가까이의 영역을 자성 재료로 형성함과 함께, 상기 경계보다 기밀실 가까이의 영역을 비자성 재료로 형성하고,
상기 하우징은, 상기 기밀실에 가장 가까운 위치에 있는 폴 피스와 접촉하는 영역으로부터, 상기 영역보다도 외부공간에 가까운 쪽이며, 또 상기 폴 피스와 인접하는 폴 피스에는 접촉하지 않는 영역까지의 사이에 경계를 마련하고, 상기 경계보다도 기밀실 가까이의 영역을 자성 재료로 형성함과 함께, 상기 경계보다도 외부공간 가까이의 영역을 비자성 재료로 형성한 것을 특징으로 하는 자성유체 실링장치.
제 1 항에 있어서,
상기 자석은, 상기 하우징에 2개 또는 4개로 구성된 것을 특징으로 하는
자성유체 실링장치.