JPS59164460A - バ−ストしない高真空用磁性流体シ−ル - Google Patents

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】 磁性流体の磁気シールは遮断シールとしても、また多段
シールとしても使用されており、前者は磁性流体シール
の両側に顕著な圧力差が存在しないとき、後者はシール
の両側で圧力環境が相違するときに使われる。磁性流体
使用の遮断シール装置は特に、コンピュータディスク駆
動システムにおける有効なシールの提供、及びその他の
高性能精密回転軸への適用に有用であり、一方多段シー
ルは特に、真空環境及び大気環境間でなどの第−低圧環
境及び第二高圧環境間で用いられる。

１９７１年１１月１６日付米国特許 第３，６２０，５８４号に記載されたような多段式の磁
性流体シールは良型的には、真空と大気圧のような異な
る圧力環境を分離するのに使用され、その際シールの耐
圧能力は使用される特定のｏリング形磁性流体シール段
の数に基づく。多段シールの各段は、一方のもしくは典
型的には両方の磁極片に、あるいは一方のまたは他方の
もしくは典型的には両方の磁極片に対向する透磁性のシ
ャフト要素の表面に、ナイフェツジあるいはその他のエ
ツジを用いて構成され、このとき磁性流体は軸方向ギャ
ップ内で、且つ各エツジの下で磁束内に磁気的に保持さ
れる。作動時、多段シールは分離した複数個のＱ　ＩＪ
ング形感磁性流体シール構成し、各Ｏリング形シールは
累算によって耐圧能力を規定し、その際典型的には、多
段シールの各段の間に空間が存在し、また環状永久磁石
内側の第−及び第二の磁極片間にも遮断シールにおける
ような空間が存在する。

米国特許第３，６２０，５８４号の多段シールには、シ
ールの総ての段用の磁束発生源として共通の永久磁石が
用いられる。しかし多段シールはまた、分離した複数個
の磁石を用いて構成されてもよいが、このようなシール
はその形態において、ただ１個の共通の永久磁石しか用
いられない場合よりもはるかに嵩張る傾向にある。

特に異なる圧力環境を分離するのに多段シールが用いら
れるべき場合に、改良された、磁性流体の圧力容量型磁
気シールを提供すること、並びに空気バーストの発生傾
向がより小さい磁性流体多段ソール即ち空気を低圧環境
へ逃がして、より安定で耐力予測可能でかつより安全な
磁性流体使用の多段圧力シール装置を提供することが望
ましい。

本発明は、磁性流体シール装置及びその使用方法に係わ
り、特に１個の磁極片における磁性流体シール（以後単
磁極片式シールと称する）の装置及び方法に係わり（第
二の磁極片は磁気回路を完成するべく使用される）、こ
のシール装置は、異なる圧力環境間での回転シャフトの
回りの磁性流体シール装置として用いられる場合に空気
バーストを起こしにくい。

単磁極片式磁性流体シール装置及び方法は、真空環境の
ような第一低圧環境と大気圧かまたはそれ以上の圧力の
環境のような第二高圧環境との間での使用のために発明
され、このシール装置では、予測不能な空気バーストま
たは空気ス／（イクを密封動作中に許す傾向は比較的小
さい。本発明によるシール装置は、規定された所望の耐
圧力容量つまり能力を有する多段のＱ　ＩＪング形感磁
性流体シール提供し、このシールはシールされるべきシ
ャフトの表面と、高圧環境側に位置する磁極片の対面部
との間に構成される。本発明によるシール装置は低圧環
境側に位置する磁極片を含み、この磁極片のシャフト側
端部は伸張し、シールされるべきシャフトの表面に一定
の関係において近接して狭い半径方向ギャップを規定し
、この同軸ギャップは高圧環境側に位置する磁極片の内
側の半径方向ギャップと同じ幅かまたはより狭い。また
、本発明による磁性流体シール装置は、低圧環境側に位
置する磁極片のシャフト側に乃至該磁極片の下側のごく
狭い同軸ギャップ内に磁性流体を一切必要とせず、即ち
本質的に伴わず、この結果実質的に単磁極片式の磁性流
体シール装置が構成される。

本発明シールには様々な組成の磁性流体が使用され得る
が、典型的には磁気飽和及び粘度値の大きい低気化圧磁
性流体の使用が特に望ましく、このような磁性流体は例
えば２７℃で約１ｏｏｏセンチポイズよりも大きい、即
ち１５００〜２５００ｃｐｓ　などの粘度を有し、また
約６００ガウスよりも大きい例えば６００〜１０００ガ
ウスの磁化強度を有する低圧磁性流体などである。本発
明シール装置に使用される磁性流体の高度の磁気飽和に
よって、必要な場合に多段シールを構成し、なおかつシ
ールの十分な耐圧容量を達成するのにソールの１個の磁
極片のみを用いることが可能となる。高粘度の磁性流体
は、本発明シール装置に存在する強度の磁場勾配下で生
起しがちなコロイド粒子の凝結の機会を減少する上で望
ましい。即ち、特に高い磁気飽和及び粘度を有する種類
の磁性流体は、本発明のシール設計において、磁性流体
使用の非、？−スト型磁気シール装置及び方法を提供す
る。

多段磁性流体シール使用時の空気バーストに関連する諸
問題、並びに磁性流体シールを厳密な平衡状態に維持し
てシールシステムにおける空気バーストを防止するか少
なくとも減少する必要性は例えば（本明細書に参考とし
て含まれる）１９８３年１月５日付出願の米国特許出願
第４５５，０６５号に記載されている。総体的な耐圧容
量の大きい磁性流体多段シールが異なる圧力環境間のシ
ールとして使用される場合、しばしば高圧環境からの空
気乃至ガスがシール段を通過して／々−ストし、低圧環
境へと侵入しがちである。圧力型の磁性流体シールにお
いて、多段シールの各段は特別のシステム内で平衡化さ
れた一定の耐圧容量を有する有効な圧力シールを提供す
る。しかし、磁性流体シール装置をシールされるべきシ
ャフト周囲に取付ける際通常空気がシステム内に捕捉さ
れる。即ち環状永久磁石内側の、磁極片に挟まれた環状
空間内、並びに０リング形ガスケツト材料中、及び磁極
片と磁石を非磁性ケーシングに封止するのに使用される
０リング形ガスケツトが収容されるＯリング形キャビテ
ィ内、更に才だ環状永久磁石と環状磁極片との間などに
空気が存在する。このような捕捉された空気は、バース
トして低圧環境の側へ侵入しがちである。このような捕
捉空気は、しばしば、磁性流体シールの１個または板数
側の段を不意に、素早くかつ一時的に突破ってシール機
能を予測不能的番こ中断させ、シールシステム内へ侵入
する傾向にある。このような空気バーストは、不都合に
も時間的に予測不可能であり、また比較的多量の空気を
非常に急速にバーストさせがちである。即ち多量の空気
がミリ秒単位でバーストし得る。この空気バーストはま
た、予測不能で、大葉にかつ急速に生起してシステムを
破壊する傾向にあるので望ましくない。

本発明による磁性流体シール装置において、典型的には
、複数個の個別の０リング形シールがシールされるべき
回転シャフトの表面を巡って構成され、該シャフトは異
なる圧力環境へと延伸している。磁性流体の０リング形
シールは、磁性流体シールの一方のもしくは典型的には
両方の磁極片のシャフト側に設けられた、鋭いか鈍いか
才たは様々な設計の１個または複数個のエツジによって
構成されても、あるいは回転シャフトの磁極片に対向す
る表面に形成されたエツジによって構成されてもよい。

各エツジ下の磁束が磁性流体を磁気的に保持して複数個
のＱ　ＩＪング形シシー即ち多段シールを溝成し、その
際個別の０リング形シール各々の間の空気によって離隔
された複数個の磁性流体Ｏリングが形成され、′磁性流
体Ｑ　ＩＪソング数はシールの所望の耐圧容置によって
決まる。

システムへ侵入する空気ノ々−ストを減少または防止す
る単磁極片式ソールが設計され得ることが判明した。本
発明によるソール装置は、高圧環境側には耐圧容゛駄型
多段シールをもたらし、また低圧環境側に位置する磁極
片のシャフト側端部と低圧環境へ延伸するシャフトの表
面との間のごく狭い半径方向ギャップから漏れを生じる
べく設計され、この結果シール装置内に捕捉された空気
は低圧乃至真空環境へと設計通りに漸次移動する。即ち
、圧力容量型磁性流体シールの取付は後、作動中に起こ
り得る予測不能な空気バーストが回避される。本発明に
よる磁性流体シールでは低圧環境側の磁極片の内側にご
く浅い半径方向ギャップが設けられ、前記磁極片の端部
は延長してシャフト表面に近接し、また所望であり、か
つシャフトまたは磁極片の摩滅粒子が密閉環境を汚染し
なければ該表面と接触する。災に真空環境側の半径方向
ギャップ内に磁性流体は使用されないので、この結果、
捕捉空気は、ポンプ作用による吸出しの際低圧環境から
急速に除去され得る。

本発明によるシール設計の一具体例では、非磁性金属や
、特にエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂などのプラス
チック乃至ポリマー材料のような非透磁性材料がシャフ
ト表面と低圧環境側の磁極片のシャフト側端部との間に
用いられ、半径方向ギャップを狭めて空気の実質的に緩
慢な漏出を実現し、その際所望であれば、前記磁極片の
シャフト側端部は非透磁性材料に接触してもよく、ある
いはまたもう一方の磁極片に付属する半径方向ギャップ
よりも著しく狭い、即ち例えば典型的には２ミルよりも
狭く、より典型的には１ミルよりも狭いギャップを形成
してもよい。シール装置の別の設計では、磁性流体シー
ル装置は多段シールを高圧環境側の磁極片のシャフト側
に設けるが、段の深さは通常よりも著しく浅く、また構
成された段は磁性流体で満たされており、このシール装
置は例えば、２ミルかまたはそれ以下の極めて浅い複数
個の段を有する。この設計では、高圧側磁極片に付属す
る半径方向ギャップも低圧側磁極片に付属する半径方向
ギャップも極めて狭く維持され、典型的には例えば２ミ
ルかまたはそれ以下であるが、高圧側磁極片は狭いギャ
ップ内に磁性流体を保持し、また低圧側磁極片に付属す
るギャップ内には磁性流体は用いられない。このような
磁性流体シール装置では作動時にバーストが生じず、予
測可能かつ確実にシールされた環境システムがもたらさ
れる。

本発明を幾つかの具体例との関連でのみ以下に詳述する
が、常に本発明の精神及び範囲内に該当する何らかの変
更及び変形が当業者によってなされ得ることは認識され
る。

第１図は、透磁性のシャフト１８を囲繞する環状永久磁
石１２並びに環状磁極片１４及び１６を有する、本発明
による磁性流体シール１０を示す。

複数個のエツジ２２及び２４がシャフトの、磁極片１４
及び１６各々に対向する表面に形成されているが、この
ようなエツジはまた磁極片のシャフト側端部に形成され
てもよい。大きい粘度及び磁化の強さを有する低気化圧
磁性流体２ｏが磁極片１６端部の更にシャフト側に保持
され、かつエラ：）２４付近に集中されて、シールの圧
力側に分離した複数個の□　ＩＪング形感磁性流体シー
ル構成する。磁極片１４のシャフト側端部に対向する複
数個のエツジ２２は、熱硬化性のエポキシ樹脂２８のよ
うな非透磁性材料で被接されており、エポキシ樹脂の表
面と磁極片１４端部とは間にごく狭い半径方向ギャップ
を形成し、このギャップ内に磁性流体は存在しない。図
示されたこのシール設計ルを提供し、また真空但蟻は実
質的な漏れを提供し、それによって空気はシール装置１
０の股間スペースから真空環境へと、少量ずつ長時間に
わたって次第にｒ柑出する。

第１図に示した設計の磁性流体ソール装置では、のエツ
ジ（，０３０ｘ、０２５ｘ　、０１０インチ）を具えた
標準シャフト１８が用いられる。真空側の段乃至エツジ
２２は非磁性のエポキシ樹脂によって被覆され、半径方
向ギャップ２６の空隙を狭めて約２ミルから１ミルまた
はそれ以下を通常の標準値とする。他の場合には無論、
シャフト１８は真空側磁極片１４に対向するエツジ乃至
段を具備せずに使用され得、シャフトの平坦な表面と磁
極片のシャフト側端部との間に形成される半径方向ギャ
ップの空隙は可能な限り狭く、例えば１ミル未満とされ
、更には接触さえ可能であることが認められる。磁性流
体２０は、大気側磁極片１６に付属する約２ミルの空隙
にのみ用いられて、シール装置１０に必要な耐圧容量を
提供し、その際真空側磁極片１４のシャフト側には磁性
流体は使用されなかった。眞空側の磁極片１４に付属す
る狭い空隙が、シャフトの長手方向に通じた実質的な漏
れを本質的に提供し、これによって空気は、ポンプによ
る予備吸出しの際段間スペースから真空側へと漸次漏出
し、大きなバーストは回避される。

第２図は浅い設計の段を用いる、本発明シール装置３０
の別の具体例を示し、このシール３０は、圧力環境及び
真空環境間に延伸する透磁性のシャフト３８を囲繞する
環状永久磁石３２並びに磁極片３４及び３６を有する。

磁性流体４０が磁極片３６のシャフト側に用いられ、シ
ャフトの前記磁極片に対向する表面には複数個の畝４２
が設けられており、これらの畝４２はシール動作時に分
離した複数個のＯリング形磁性流体段を規定し、一方磁
極片３４に対向するエツジ４４はごく狭い半径方向ギャ
ップ４６を規定する。磁極片３４のシャフト側には、磁
性流体４０は配置されない。この設計において、磁極片
３６に付属して構成される複数個の段はきわめて浅く、
例えば２ミル未満である。

磁性流体使用の単段型真空シールには、標準の多段シー
ルの形態に存在する股間領域に由来する空隙が無いので
、該真空シールは原則としてバーストを生じない。しか
し、単段型の真空用磁性流体シールは１４．７ｐｓｉ　
　を越える耐圧容量に加え補助的な予備の耐圧容量も有
しなければならず、このことは通常、従来の技術では十
分確実には達成され得ない。しかし第２図のシール装置
の設計では、磁性流体で満たされるごく浅い段から成る
多段の形態が提供される。即ちこのシール設計によって
、真空用として十分安全なマージンを有する圧力容量を
具えた単段型の真空シールにごく近いものが得られる。

例えば０．０２０ｘ０．０２０ｘＯ，００２インチとい
う段の形態がこの設計のンヤフトの１本において用いら
れ、ここで留意される。

のは、段の深さが２ミルでしかない点である。真空側及
び大気側の磁極片に付属する両方の半径方向ギャップ乃
至空隙は、２ミルかまたはそれ以下のような小さい値に
維持される。大気側の磁極片にのみ磁性流体が供給さｖ
ｌ、真空側磁極片には磁性流体は用いられない。総ての
股間スペースが磁性流体で満たされ、空気バーストを生
起し得るような空隙が生じ得ないことを保証するべく、
過剰な量の磁性流体が用いられる。

第１図及び第２図は本発明による磁性流体シール装置の
二つの具体例を示し、これらの具体例はどちらも、実質
的な漏れ及び浅い段を有する設計の、単磁極片式の圧力
容量型シールを提示しており、どちらの場合もシール装
置内に捕捉された空気は真空側へ徐々にかつ予測可能に
移動され得、即ち、空気バーストが回避される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による磁性流体シールを示す概略的な部
分断面図、第２図は本発明による別の磁性流体シールを
示す概略的な部分断面図である。 １０．３０・・・・・・シール装置、　　　１２．３２
・・・・・・永久磁石、　　１４，１６，３４．３６・
・・・・・磁極片、　　１８．３８・・・・・・シャフ
ト、　　２０．４０・・・・・・磁性流体、　　２２，
２４．４４・・・・・・エツジ、２６．４６・・・・・
・半径方向ギャップ、　　２８・・・・・・エポキシ樹
脂、　　４２・・・・・・畝。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　第−低圧環境及び第二高圧環境間に延伸する
   シャフトの周囲に磁性流体の圧力型シールを提供するべ
   く構成された磁性流体使用の単磁極式磁気シール装置で
   あって、 ａ）シールされるべきシャフトを囲繞するべく構成され
   た、互いに反対の極性の磁極を有する環状の永久磁石； ｂ）第−及び第二透磁性磁極片であって、各々一方及び
   他方の端部を有し、各磁極片の一方の端部は永久磁石の
   互いに反対の磁極と、磁−束によって関係しており、各
   磁極片の他方の端部は伸張して、シールされるべきシャ
   フトの表面に接触はせず近接し、前記シャフトと半径方
   向のギャップを規定するべく構成されており、また第二
   の磁極片のシャフト側端部はシールされるべきシャフト
   の表面と共に、第二の磁極片に付属する半径方向ギャッ
   プ内に分離した複数個の段を構成する第−及び第二の磁
   極片；及び Ｃ）第二磁極片に付属する半径方向ギャップ内で分離し
   た段の間に保持され、作動時シールされるべきシャフト
   の表面に関して分離した複数個の０リング形磁性流体シ
   ールを提供するべく構成されており、また第一磁極片の
   シャフト側端部に付属する半径方向ギャップ内には本質
   的に存在しない磁性流体を含み、第二磁極片は高圧環境
   側に配置されるべく構成されており、第一の磁極片は低
   圧環境側に配：Ｒされるべく　’！’ｔ’ｆ成され、か
   つその半径方向ギャップは第二磁極片に付属する前記ギ
   ャップよりも実質的に狭く、第−低圧環境及び第二高圧
   環境間でシャフト周囲に取付けられた際に空気バースト
   が起きにくい、単磁極式の圧力型磁性流体シール装置を
   提供することを特徴とするシール装置。
2. （２）第二磁極片のシャフト側端部に付属する半径方向
   ギャップ内の磁性流体が約１０００ｃｐｓ　よりも大き
   い粘度並びに約６００ガウスよりも大きい磁化強度を有
   する低気化圧磁性流体を含むことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の装置。
3. （３）第一磁極片に付属する半径方向ギャップが約２ミ
   ルよりも狭いことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の装置。
4. （４）第一磁極片のシャフト側端部に配置されて第一の
   磁極片のシャフト側端部に付属する半径方向ギャップを
   狭める非透磁性材料を含むことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の装置。
5. （５）第一磁極片のシャフト側端部がシールされるべき
   シャフトの表面と共に、分離した複数個の段を構成する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
6. （６）ｇ−磁極片に付属する個々の段の間に配置され、
   シャフト表面と第一磁極片のシャフト側端部との間に平
   坦な表面を提供する非透磁性材料を含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項に記載の装置。
7. （７）第−大気圧環境及び第二圧力環境間に延伸する回
   転シャフトを含み、この回転シャフトは特許請求の範囲
   第１項に記載のシール装置の第二磁極片に付属する分離
   した複数個のＯリング形設によってシールされることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
8. （８）第二磁極片に付属する同軸ギャップが約２ミルか
   ら５ミルまでの範囲内であり、また第−Ｓ磁極片に付属
   する同軸ギャップは約１ミルよりも狭いことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の装置。
9. （９）ａ）ある圧力下にある第−環境並びに異なる圧力
   下にある第二環境； ｂ）第−及び第二環境間に延伸するシールされるべき回
   転シャフト要素；及び Ｃ）回転シャフト要素周囲に配置され、第二磁極片のシ
   ャフト側端部に付属する分離した複数個のＱ　ＩＪング
   形シ＝ルによって第−及び第二圧力環境間に圧力型磁性
   流体シールを構成する特許請求の範囲第１項に記載の磁
   性流体シール装置を含むことを特徴とするシールシステ
   ム。
10. （１０）第−低圧頃境及び第二高圧環境間に延伸する回
    転シャフト周囲に磁性流体の単磁極式磁気シールを構成
    することを含む磁性流体による磁気ソール方法であって
    、 ａ）シールされるべき環境の高圧側に位置する方の磁極
    片の端部と回転シャフト表面との間に分離した複数個の
    Ｏリング形磁性流体シールを構成すること；及び ｂ）他方の磁極片のシャフト側端部なシールされるべき
    シャフトの表面の方へ伸張させ、該表面に接触はさせず
    に近接させて、この磁極片のシャフト側端部とシャフト
    表面との間に、複数個のＯＩＪソング形−ルを構成する
    磁極片に付属する前記ギャップよりも著しく狭くかつ本
    質的に磁性流体を一切伴わない、規定された前記ギャッ
    プを構成することを含むことを特徴とするシール方法。 α１）複数個のＯＩＪング形感磁性流体シール構成に用
    いられる磁性流体が約１０００　ｃｐｓかまたはそれ以
    上の粘度並びに約６００ガウスかまたはそれ以上の磁化
    の強さを有する低熱蛍光磁性流体を含むことを特徴とす
    る特許請求の範囲第１０項に記載の方法。 住り　低圧環境側に位置する磁極片に付属する前記ギャ
    ップが約２ミルかまたはそれ以下であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１０項に記載の方法。 （１？；Ｉ　　高圧環境が大気圧環境であり、低圧環境
    が真空環境であることを特徴とする特許請求の範囲第１
    ０項に記載の方法。 Ｉ　低圧環境側に位置する磁極片に付属する前記ギャッ
    プ内に非透磁性材料を配置することを含むことを特徴と
    する特許請求の範囲第１０項に記載の方法。