JPS6124585B2 - - Google Patents

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

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。