高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的制作方法

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本發(fā)明涉及能夠應用于以高速旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)。

本申請基于2014年10月24日向日本申請的日本特愿2014-217240號要求優(yōu)先權(quán)，在此援引該內(nèi)容。

背景技術(shù)：

以往，例如在能夠?qū)⑿D(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為電能或者將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能量的飛輪儲能系統(tǒng)等那樣的具有傳遞轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)軸的裝置中，進行所謂的真空分離，即利用磁性流體密封裝置將大氣與真空空間分離。這樣一來，通過在以高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸上裝配磁性流體密封裝置，能夠?qū)⒋髿馀c真空空間分離。

另一方面，上述那樣的旋轉(zhuǎn)軸以高速進行旋轉(zhuǎn)。因此，伴隨旋轉(zhuǎn)軸的高速旋轉(zhuǎn)而在磁性流體密封裝置內(nèi)產(chǎn)生摩擦熱，由此，需要將該摩擦熱進行散熱。以這種將伴隨旋轉(zhuǎn)軸的高速旋轉(zhuǎn)而在磁性流體密封裝置產(chǎn)生的摩擦熱進行散熱為目的，提出了在裝置的框體上設置散熱片來將摩擦熱散熱到大氣中的結(jié)構(gòu)(例如，參照專利文獻1、2)。

另外，為了將上述那樣的磁性流體密封裝置產(chǎn)生的摩擦熱進行散熱，提出了在旋轉(zhuǎn)軸上設置冷卻機構(gòu)、絕熱機構(gòu)(例如，參照專利文獻3、4)。

另外，為了將高速旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的摩擦熱進行散熱，提出了將轉(zhuǎn)軸形成為中空狀并在其一部分設置葉片的結(jié)構(gòu)(例如，參照專利文獻5)。另外，還提出了通過在旋轉(zhuǎn)軸的一部分設置由熱傳導性良好的鋁構(gòu)成的芯體并使旋轉(zhuǎn)軸的兩端部間承擔熱分路的一部分來進行散熱的技術(shù)(例如，參照專利文獻6)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2006-179613號公報

專利文獻2：日本實開昭63-195162號公報

專利文獻3：日本實開昭61-137168號公報

專利文獻4：日本特開昭61-160670號公報

專利文獻5：日本特開昭61-160671號公報

專利文獻6：日本專利第4132149號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的問題

其中，上述那樣的伴隨高速旋轉(zhuǎn)而在磁性流體密封裝置內(nèi)產(chǎn)生的摩擦熱還向旋轉(zhuǎn)軸導熱。這樣的旋轉(zhuǎn)軸通常由具有磁性的不銹鋼，例如常溫下的熱傳導率為12w/m·k左右的不銹鋼材料單獨構(gòu)成。因此，摩擦熱導熱時的旋轉(zhuǎn)軸的溫度上升變得非常大，將達到100℃以上，因此，旋轉(zhuǎn)軸顯著發(fā)生熱膨脹，該情況通過本發(fā)明的發(fā)明者等的研究已被查明。通常，在磁性流體密封裝置中，夾雜磁性流體的間隙為數(shù)十μm，但在因旋轉(zhuǎn)軸的熱膨脹所引起的徑向上的尺寸變化超過上述數(shù)值的情況下，有可能無法維持原本的真空分離功能。因此，需要有效地將導熱至旋轉(zhuǎn)軸的摩擦熱進行散熱來抑制旋轉(zhuǎn)軸自身的溫度上升。

然而，專利文獻1、2記載的散熱片為設置于裝置的框體上的結(jié)構(gòu)，因此，難以將導熱至旋轉(zhuǎn)軸主體的摩擦熱進行散熱。

另一方面，在專利文獻3、4中，雖然在旋轉(zhuǎn)軸上設置有冷卻機構(gòu)或絕熱機構(gòu)，但由于旋轉(zhuǎn)軸整體是由不銹鋼構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因此，雖然強度特性優(yōu)異，但熱傳導性低，從而難以有效地將導熱至軸主體的摩擦熱進行散熱。

另外，在專利文獻5中，使用了中空狀且設置有葉片的旋轉(zhuǎn)軸，在專利文獻6中，使用了設置有由熱傳導性良好的鋁構(gòu)成的芯體的旋轉(zhuǎn)軸，但總之難以將導熱至旋轉(zhuǎn)軸的摩擦熱充分地散熱。

本發(fā)明鑒于上述課題而提出，其目的在于，提供能夠抑制伴隨旋轉(zhuǎn)軸的溫度上升的熱膨脹并能夠維持優(yōu)異的真空分離功能的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)。

解決問題的手段

本發(fā)明的發(fā)明者等為了解決上述問題，進行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為了解決旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生熱膨脹的問題，根本上應減少作為首要因素的高速旋轉(zhuǎn)時的摩擦熱，但由于其來自磁性流體的構(gòu)成材料，因此技術(shù)上的難度極高。于是，本發(fā)明的發(fā)明者等著眼于抑制作為次要因素的旋轉(zhuǎn)軸的溫度上升的方案，即改善熱清除特性(散熱性)。

本發(fā)明的發(fā)明者等發(fā)現(xiàn)，首先對于例如直徑100mm的轉(zhuǎn)軸的情況，將為確保磁性流體密封的功能所需的厚度限制在距外周面的深度10mm左右的范圍。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于中心部的直徑80mm的部分，能夠由傳遞規(guī)定的扭矩所需的高強度材料和能夠滿足熱清除對策的功能的材料構(gòu)成。并且發(fā)現(xiàn)，通過采用在內(nèi)層側(cè)設置由熱傳導性比以往的sus630那樣的代表性的不銹鋼材料顯著優(yōu)異的材料，例如常溫下的熱傳導率最大為200w/m·k左右的鋁材料、最大為400w/m·k左右的銅材料構(gòu)成的層的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸的散熱性顯著提高，從而想出了本發(fā)明。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第一技術(shù)方案，該高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)用于密封能夠相互旋轉(zhuǎn)的軸構(gòu)件與配置于軸構(gòu)件的周圍的殼體構(gòu)件之間的間隙，其中，

該高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)具有：

磁力產(chǎn)生單元，固定于殼體構(gòu)件并產(chǎn)生磁力，

磁極構(gòu)件，配置于磁力產(chǎn)生單元的軸向上的兩側(cè)，

磁性流體，借助磁力產(chǎn)生單元的磁力被磁性地保持在磁極構(gòu)件與軸構(gòu)件之間，并密封它們之間的間隙；

軸構(gòu)件的多個不同種類的材料層在徑向上層疊為同心狀，

軸構(gòu)件的用于保持磁性流體的最外徑層為磁性材料。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第一技術(shù)方案，既能夠使軸構(gòu)件滿足作為旋轉(zhuǎn)軸的功能，又能夠在內(nèi)層側(cè)配置熱傳導率高的不同種類的材料層。因此，導熱至軸構(gòu)件的摩擦熱傳遞到熱傳導率高的不同種類的材料層向外部散熱。由此，軸構(gòu)件的散熱性提高，因此，在例如以每秒數(shù)十米的圓周速度使旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的情況下，也能夠抑制軸構(gòu)件的溫度上升及隨之的熱膨脹，從而能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的真空分離。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第二技術(shù)方案，在第一技術(shù)方案中，軸構(gòu)件為具有2種不同種類的材料層的雙層結(jié)構(gòu)，最內(nèi)徑層為熱傳導率高于所述最外徑層的熱傳導率的良好的熱傳導材料。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第二技術(shù)方案，能夠顯著地獲得將導熱至軸構(gòu)件的摩擦熱向外部散熱來抑制溫度上升的效果。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第三技術(shù)方案，在第二技術(shù)方案中，軸構(gòu)件的最內(nèi)徑層為奧氏體系或馬氏體系的不銹鋼或者鈦合金材料。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第三技術(shù)方案，不僅該最內(nèi)徑層的強度特性、耐腐蝕性提高，而且軸構(gòu)件整體的強度特性、耐腐蝕性也提高。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第四技術(shù)方案，在第一～第三中的任一技術(shù)方案中，軸構(gòu)件的最外徑層為奧氏體鐵素體系、馬氏體系、析出硬化系的不銹鋼或者鐵系材料的磁性材料。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第四技術(shù)方案，具有作為磁性體的良好的特性以及作為最外徑層的良好的強度特性。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第五技術(shù)方案，在第一～第四中的任一技術(shù)方案中，軸構(gòu)件還是在最內(nèi)徑層與最外徑層之間設置有中間層的三層結(jié)構(gòu)，中間層為熱傳導率高于最外徑層的熱傳導率的良好的熱傳導材料，并且最內(nèi)徑層為強度高于中間層的強度的高強度材料。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第五技術(shù)方案，提高軸構(gòu)件的散熱性來抑制溫度上升的效果更加顯著。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第六技術(shù)方案，在第五技術(shù)方案中，軸構(gòu)件的中間層將常溫下的熱傳導率為100w/m·k以上的鋁或銅作為主要成分。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第六技術(shù)方案，提高軸構(gòu)件的散熱性來抑制溫度上升的效果更加顯著。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第七技術(shù)方案，在第一～第六中的任一技術(shù)方案中，軸構(gòu)件的最內(nèi)徑層或中間層中的至少一部分為在軸構(gòu)件的軸向上露出于外部的散熱部。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第七技術(shù)方案，進一步提高軸構(gòu)件的散熱性來抑制溫度上升的效果顯著。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第八技術(shù)方案，在第七技術(shù)方案中，散熱部為具有凹凸形狀的散熱用葉片。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第八技術(shù)方案，進一步提高軸構(gòu)件的散熱性來抑制溫度上升的效果顯著。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第九技術(shù)方案，在第七技術(shù)方案中，散熱部為由噴砂處理產(chǎn)生的梨皮形狀。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第九技術(shù)方案，進一步提高軸構(gòu)件的散熱性來抑制溫度上升的效果顯著。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第十技術(shù)方案，在第一～第九中的任一技術(shù)方案中，在殼體構(gòu)件上具有冷卻用液體注入口，在磁極構(gòu)件的外徑側(cè)具有圓環(huán)狀槽，從液體注入口供給的冷卻用液體流通到圓環(huán)狀槽。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第十技術(shù)方案，能夠有效地冷卻磁力產(chǎn)生單元和磁極構(gòu)件。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第十一技術(shù)方案，在第一～第十中的任一技術(shù)方案中，在軸構(gòu)件的最內(nèi)徑層設置有使冷卻用液體循環(huán)的液體循環(huán)回路。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第十一技術(shù)方案，能夠有效地對軸構(gòu)件進行散熱、冷卻。

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第十二技術(shù)方案，在第一～第十一中的任一技術(shù)方案中，軸構(gòu)件的表面的至少一部分為能夠傳遞旋轉(zhuǎn)的齒輪形狀或花鍵形狀。

根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的第十二技術(shù)方案，能夠?qū)⒏咚傩D(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)容易地應用于各種用途。

此外，本發(fā)明中說明的最外徑層是指，在軸構(gòu)件中配置于徑向上最外側(cè)的層，另外，最內(nèi)徑層是指，配置于徑向上最內(nèi)側(cè)的層。

另外，在本發(fā)明中，將由軸構(gòu)件、殼體構(gòu)件、磁力產(chǎn)生單元、磁極構(gòu)件、磁性流體等構(gòu)成的部分總稱為高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)，既能夠使軸構(gòu)件滿足作為轉(zhuǎn)軸的功能，又能夠在內(nèi)層側(cè)配置熱傳導率優(yōu)異的不同種類的材料層，因此，導熱至軸構(gòu)件的摩擦熱容易向外部散熱，從而軸構(gòu)件的散熱性提高。由此，即使在例如以每秒數(shù)十米的圓周速度使旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的情況下，也能夠抑制旋轉(zhuǎn)軸的溫度升高及隨之的熱膨脹，因此，能夠進行穩(wěn)定的真空分離。

附圖說明

圖1是示意性地說明作為本發(fā)明的一個實施方式的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的圖，是表示可相互旋轉(zhuǎn)地組裝的軸構(gòu)件與殼體構(gòu)件的組裝狀態(tài)的整體概略圖。

圖2是示意性地說明作為本發(fā)明的一個實施方式的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的圖，是表示軸構(gòu)件的層結(jié)構(gòu)的一個例子的剖視圖。

圖3是示意性地說明作為本發(fā)明的一個實施方式的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的圖，是用于說明導熱至軸構(gòu)件的摩擦熱的傳導路徑的示意剖視圖。

圖4是示意性地說明作為本發(fā)明的一個實施方式的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的圖，是表示軸構(gòu)件的層結(jié)構(gòu)的其他例子的示意剖視圖。

圖5是表示將作為本發(fā)明的一個實施方式的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的高速旋轉(zhuǎn)時的溫度上升特性與以往結(jié)構(gòu)的特性進行比較的圖表。

具體實施方式

下面，列舉出作為本發(fā)明的實施方式的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)(下面，有時僅簡稱為磁性流體密封結(jié)構(gòu))的一個例子，一邊參照圖1～圖5一邊詳細說明其結(jié)構(gòu)和作用。圖1是表示本實施方式的磁性流體密封結(jié)構(gòu)的整體概略圖，圖2是表示軸構(gòu)件的層結(jié)構(gòu)的一例的剖視圖。另外，圖3是用于說明向軸構(gòu)件導熱的摩擦熱的傳導路徑的示意剖視圖，圖4是表示軸構(gòu)件的層結(jié)構(gòu)的其他例子的示意剖視圖。另外，圖5是表示將本實施方式的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)的高速旋轉(zhuǎn)時的溫度升高特性與以往結(jié)構(gòu)的特性進行比較的圖表。

[高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)]

如圖1所示，本實施方式的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1是用于密封軸構(gòu)件2與配置于該軸構(gòu)件2的周圍的殼體構(gòu)件3之間的間隙的結(jié)構(gòu)，該軸構(gòu)件2和該殼體構(gòu)件3能夠相互旋轉(zhuǎn)地進行組裝。該磁性流體密封結(jié)構(gòu)1大致構(gòu)成為具有：磁力產(chǎn)生單元4，固定于殼體構(gòu)件3并產(chǎn)生磁力；磁極構(gòu)件5，配置于該磁力產(chǎn)生單元4的軸向上的兩側(cè)；磁性流體7，利用磁力產(chǎn)生單元4的磁力被磁性地保持在磁極構(gòu)件5與軸構(gòu)件2之間，并密封它們之間的間隙s。

本實施方式的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1將軸構(gòu)件2與殼體構(gòu)件3之間真空分離(密封)，所述軸構(gòu)件2橫跨大氣側(cè)a(設備外側(cè))與真空側(cè)v(設備內(nèi)側(cè))這兩個區(qū)域之間。

殼體構(gòu)件3例如由非磁性金屬材料構(gòu)成，在圖1所示的例子中，該殼體構(gòu)件3具有保持并密封軸構(gòu)件2的圓筒部31、在該圓筒部31的真空側(cè)v保持磁性流體密封結(jié)構(gòu)的凸緣部32。另外，在殼體構(gòu)件3的圓筒部31與軸構(gòu)件2之間設置有環(huán)狀軸承33，從外周面23a側(cè)將軸構(gòu)件2支撐為能夠自由旋轉(zhuǎn)。另外，圖示例的軸承33在軸構(gòu)件2的軸向上分開設置在兩個部位，在它們之間設置有支撐構(gòu)件34。而且，軸承33中位于凸緣部32相反側(cè)的軸承33借助安裝在圓筒部31的設備外側(cè)且非凸緣側(cè)端部的固定構(gòu)件35來定位。

凸緣部32形成為在半徑方向擴展的凸緣狀，底部32a作為朝向省略圖示的設備側(cè)的安裝面，并且形成有設備安裝用的多個螺孔32b，以便在凸緣部32的外周側(cè)貫通凸緣部32。另外，在底部32a形成有環(huán)狀凹部32a，在該凹部32a內(nèi)容納有用于實現(xiàn)與設備側(cè)的密封的環(huán)狀密封構(gòu)件(packingmember)6。另外，在凸緣部32上的比圓筒部31更靠內(nèi)周側(cè)的部位設置有階梯32c，借助該階梯32c來支撐作為本實施方式的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1的主要部分的磁力產(chǎn)生單元4和磁極構(gòu)件5。即，所述磁力產(chǎn)生單元4和磁極構(gòu)件5在由圓筒部31和凸緣部32形成的環(huán)狀空間一邊被階梯32c支撐一邊被容納。

如上所述，磁力產(chǎn)生單元4構(gòu)成為，其固定于殼體構(gòu)件3并產(chǎn)生磁力，雖省略詳細的圖示，但在俯視時形成為圓環(huán)狀，在軸向上配置為異極(n極、s極)。

磁極構(gòu)件5在磁力產(chǎn)生單元4的軸向上的兩側(cè)配置有一對，該磁極構(gòu)件5為由磁性材料構(gòu)成的圓環(huán)狀構(gòu)件，用于支撐磁力產(chǎn)生單元4。

磁性流體7是例如將小粒徑的磁性超微粒子使用表面活性劑分散在溶劑或油中而成的。通過上述構(gòu)成，磁性流體7是具有通過沿磁力線移動而被磁場捕獲的特性的流體。如圖1所示，在軸構(gòu)件2旋轉(zhuǎn)時，磁性流體7在磁極構(gòu)件5與軸構(gòu)件2的后述的最外徑層23的密封部24之間被磁性地保持，對兩者的間隙s進行密封。

其中，在磁性流體密封結(jié)構(gòu)1中，在使軸構(gòu)件2高速旋轉(zhuǎn)時，在經(jīng)由磁性流體7配置的磁極構(gòu)件5與軸構(gòu)件2之間產(chǎn)生摩擦熱，該摩擦熱還被導熱至軸構(gòu)件2。本實施方式的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1與如上述那樣的導熱至軸構(gòu)件2的摩擦熱有關，通過優(yōu)化軸構(gòu)件2的層結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等，提高軸構(gòu)件2的散熱性而抑制溫度上升，從而抑制因熱膨脹所導致的軸構(gòu)件2的徑向上的尺寸變化來確保密封性，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的真空分離。

接著，適當?shù)貐⒄請D1～圖3對本實施方式的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1所具備的軸構(gòu)件2詳細地說明。

如上所述，軸構(gòu)件2是與殼體構(gòu)件3之間能夠相互旋轉(zhuǎn)地組裝的軸狀構(gòu)件(軸)。另外，在軸構(gòu)件2的最外徑層23的外周面23a的一部分，上述密封部24以具有多個微細凸部的凹凸形狀形成為環(huán)狀。

并且，如圖2的剖視圖所示，本實施方式的軸構(gòu)件2是由多個不同種類的材料層沿徑向?qū)盈B為同心狀而成的，軸構(gòu)件2的用于保持磁性流體7的最外徑層23由磁性材料構(gòu)成。另外，圖2所示的軸構(gòu)件2為在最內(nèi)徑層21與最外徑層23之間設置有中間層22的三層結(jié)構(gòu)。另外，軸構(gòu)件2由不同種類不同形狀的金屬構(gòu)件構(gòu)成，作為芯材的最內(nèi)徑層21經(jīng)由中間層22與大致管狀的作為外部材料的最外徑層23嵌合。

最內(nèi)徑層21由大致軸狀的雄構(gòu)件構(gòu)成，在圖示的例子中，由軸構(gòu)件2的凸緣部21a、從該凸緣部21a延伸出的軸部21b、從該軸部21b的設備外側(cè)且散熱部側(cè)的端部21b凸出而形成的圓柱狀的凸出部21c構(gòu)成。

凸緣部21a是將最內(nèi)徑層21和最外徑層23隔著中間層22而一體化后，從軸構(gòu)件2的設備內(nèi)側(cè)且真空槽側(cè)端部露出于表面的部位，在將最內(nèi)徑層21的軸部21b插入最外徑層23的嵌合孔23a內(nèi)時，還作為最外徑層23的設備內(nèi)側(cè)且真空槽側(cè)端部抵接的擋塊發(fā)揮作用。

軸部21b是形成為從凸緣部21a延伸的軸狀部位，雖省略詳細的圖示，但形成為大致圓棒狀。軸部21b是在后述最外徑層23的嵌合孔23a中隔著中間層22被一體化的部位。

如上所述，凸出部21c是從軸部21b的與凸緣部21a相反一側(cè)的大氣側(cè)的端部21b側(cè)凸出而形成的柱狀部位。該凸出部21c能夠構(gòu)成為：例如后述那樣的形成為能夠傳遞旋轉(zhuǎn)的省略圖示的齒輪形狀或花鍵形狀的結(jié)構(gòu)。

作為最內(nèi)徑層21的材質(zhì)沒有特別限定，可一邊考慮磁性流體密封結(jié)構(gòu)1的用途，一邊選擇強度特性、耐腐蝕性優(yōu)異的金屬材料。然而，優(yōu)選由強度高于后述中間層22的高強度材料構(gòu)成，例如，可采用奧氏體系或馬氏體系的不銹鋼或者鈦合金材料等。另外，在最內(nèi)徑層21使用不銹鋼的情況下，例如，可以使用sus403等高強度不銹鋼材料，在該情況下，能夠得到最內(nèi)徑層21以及軸構(gòu)件2整體的強度特性、耐腐蝕性提高的效果。另外，在選擇熱傳導性優(yōu)異的金屬材料作為最內(nèi)徑層21的情況下，例如，也可以使用鋁、銅材料。

如圖2所示，中間層22是配置于最內(nèi)徑層21與最外徑層23之間的不同種類的金屬層，雖省略詳細的圖示，但該中間層22是介于大致圓形截面的最內(nèi)徑層21與最外徑層23之間的大致筒狀的層。另外，圖示例的中間層22中，配置于最內(nèi)徑層21的凸緣部21a側(cè)的相反一側(cè)的大氣側(cè)的端部的外周面在軸構(gòu)件2的軸向上露出規(guī)定的長度，該露出部位為散熱部22c。

在圖示的例子中，露出中間層22的散熱部22c形成為具有凹凸形狀的散熱用葉片，在摩擦熱等導熱至軸構(gòu)件2的情況下，該散熱部22c具有將該熱散熱至大氣的功能。另外，散熱部22c的最大直徑在作為磁性流體密封結(jié)構(gòu)1的結(jié)構(gòu)方面，如圖示的例子那樣，優(yōu)選為與作為軸構(gòu)件2的最大直徑，即后面詳細敘述的最外徑層23的最大直徑為相同的程度。另一方面，從進一步提高散熱效果的觀點出發(fā)，優(yōu)選地，確保散熱部22c的軸向的長度尺寸盡可能長。

作為中間層22的材質(zhì)沒有特別限定，優(yōu)選熱傳導率高于后述最外徑層23的良好的熱傳導材料，例如可以舉出常溫下的熱傳導率為100w/m·k以上的鋁、銅、鉻銅等良好的熱傳導材料。通過將這樣的良好的熱傳導材料用于中間層22，即使在軸構(gòu)件2的表面產(chǎn)生的摩擦熱導熱至內(nèi)部的情況下，通過將該熱從散熱部22c散熱到大氣中，能夠有效地抑制軸構(gòu)件2的溫度上升。

最外徑層23由大致管狀的雌構(gòu)件構(gòu)成，如上所述，在嵌合孔23a的內(nèi)部，最內(nèi)徑層21隔著中間層22一體化。另外，在組裝最外徑層23、最內(nèi)徑層21及中間層22時，最內(nèi)徑層21的凸緣部21a與最外徑層23的設備內(nèi)側(cè)且真空槽側(cè)的端部23b相抵接。在圖示例的最外徑層23的外周面23a的軸向上的大致中心附近，形成有用于進行軸承33的定位的環(huán)狀凸起部23c。

作為最外徑層23的材質(zhì)，只要是磁性材料即可，沒有特別地限定，能夠一邊考慮了磁性流體密封結(jié)構(gòu)1的用途，一邊選擇作為外裝材料的強度特性等的材料。作為用于最外徑層23的磁性材料，可以使用奧氏體鐵素體系、馬氏體系、析出硬化系不銹鋼或者鐵系材料的磁性材料，例如，可以列舉出sus630等。

根據(jù)本實施方式的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1，軸構(gòu)件2構(gòu)成為，多層不同種類的材料層沿徑向?qū)盈B為同心狀，用于保持磁性流體的最外徑層23由磁性材料構(gòu)成。具體而言，為從內(nèi)層側(cè)依次由最內(nèi)徑層21、中間層22以及最外徑層23組合而成的結(jié)構(gòu)。并且，最內(nèi)徑層21使用熱傳導率高于最外徑層23的良好的熱傳導材料且強度高于中間層22的材料，而且，中間層22使用熱傳導率高于最外徑層23的良好的熱傳導材料。磁性流體密封結(jié)構(gòu)1通過上述結(jié)構(gòu)，即使在最外徑層23附近產(chǎn)生摩擦熱且該摩擦熱向軸構(gòu)件2的內(nèi)層側(cè)導熱的情況下，該熱傳遞到熱傳導性良好的中間層22，從露出于外部的散熱部22c向大氣有效地散熱。

更具體而言，首先，在圖1所示的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1中，在經(jīng)由磁性流體7配置的磁極構(gòu)件5與軸構(gòu)件2的密封部24之間，產(chǎn)生伴隨軸構(gòu)件2的高速旋轉(zhuǎn)的摩擦熱。如圖3的示意剖視圖所示，該摩擦熱從軸構(gòu)件2的最外徑層23的密封部24(外周面23a)導入而傳遞到內(nèi)層側(cè)，然后到達中間層22。導熱至中間層22的摩擦熱傳遞到由良好的熱傳導材料構(gòu)成的中間層22后，被引導至散熱部22c(參照圖中的箭頭c)。然后，該熱從散熱部22c散熱到大氣中，從而能夠抑制軸構(gòu)件2的溫度上升，進而能夠抑制軸構(gòu)件2整體的熱膨脹。這樣一來，通過抑制軸構(gòu)件2的熱膨脹，尤其是徑向上的尺寸變化，還能夠抑制經(jīng)由磁性流體配置的磁極構(gòu)件5與軸構(gòu)件2的最外徑層23的密封部24之間的間隙s的尺寸變化，因此，能夠維持高速旋轉(zhuǎn)時的優(yōu)異的密封性。因此，即使在將磁性流體密封結(jié)構(gòu)1應用于例如以每秒數(shù)十米的圓周速度使旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪裝置等的情況下，也能夠抑制旋轉(zhuǎn)軸的溫度上升及隨之的熱膨脹，從而能夠以穩(wěn)定的密封性進行真空分離。

關于本實施方式的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)1的高速旋轉(zhuǎn)時的溫度上升特性，本發(fā)明的發(fā)明人等將邊改變轉(zhuǎn)速邊進行的實驗的結(jié)果與以往的結(jié)構(gòu)特性以及磁性流體密封的可連續(xù)運轉(zhuǎn)的溫度上限一起顯示于圖5的圖表。

如圖5所示可知，在以往結(jié)構(gòu)(改善前)的情況下，隨著轉(zhuǎn)速變高而密封部的溫度急劇上升，在4600(rpm)時達到約150℃，相對于此，在本實施方式的結(jié)構(gòu)(改善后)中，在4600(rpm)時的密封部的溫度為約100℃左右時，溫度上升得到抑制。這是因為，通過使軸構(gòu)件成為上述結(jié)構(gòu)，在最外徑層附近產(chǎn)生的摩擦熱傳遞到熱傳導性良好的中間層，從而從露出于外部的散熱部有效地散熱。

作為上述結(jié)構(gòu)的軸構(gòu)件2的尺寸和形狀沒有特別限定，可以一邊考慮磁性流體密封結(jié)構(gòu)1的用途一邊適當?shù)剡M行決定。例如，在假定將圖1所示的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1應用到飛輪裝置等高速旋轉(zhuǎn)軸的情況下，能夠?qū)⒆鳛檩S構(gòu)件2的總外徑大致設為40mm以上。

此外，也可以在軸構(gòu)件2的最內(nèi)徑層21與最外徑層23之間或者在最內(nèi)徑層21、中間層22與最外徑層23的各層之間，即各層的接合面配置省略圖示的夾設層。

另外，作為用于本實施方式的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1中的最內(nèi)徑層、中間層以及最外徑層的金屬材料的組合也沒有特別限定。例如，在圖3所示的示意剖視圖中，也可以將作為最內(nèi)徑層21的為高強度材料的sus403或鈦合金、作為中間層22的鋁、鋁合金、銅(電解銅)、鉻銅等銅合金中的任一種材料、以及作為最外徑層23的為磁性材料的sus630適當?shù)亟M合使用。其中，鋁的熱傳導率為200w/m·k左右，相對于此，銅的熱傳導率高達380～400w/m·k，另外，機械強度特性也優(yōu)異，因此，優(yōu)選為用于中間層22、最內(nèi)徑層21的材料。

另外，在圖1和圖2所示的例子中，軸構(gòu)件2的散熱部22c形成為具有凹凸形狀的散熱用葉片，但并不限定于此，例如，也可以以將散熱部構(gòu)成為由噴砂處理產(chǎn)生的梨皮狀，在該情況下，也能夠得到上述同樣的散熱效果。

另外，在本實施方式中，雖省略圖示，但也可以在軸構(gòu)件2的最內(nèi)徑層21設置用于使冷卻用液體循環(huán)的液體循環(huán)回路。通過在最內(nèi)徑層21設置液體循環(huán)回路，在因散熱部22c等產(chǎn)生的散熱效果的同時，能夠有效地冷卻軸構(gòu)件2。

另外，在本實施方式中，也可以在軸構(gòu)件2的表面的至少一部分，具體而言為最外徑層23的外周面23a、最內(nèi)徑層21的凸出部21c的一部分，形成能夠傳遞旋轉(zhuǎn)的省略圖示的齒輪形狀或花鍵形狀。這樣一來，通過在軸構(gòu)件2上設置能夠傳遞旋轉(zhuǎn)的齒輪形狀或花鍵形狀，能夠?qū)⒈緦嵤┓绞降拇判粤黧w密封結(jié)構(gòu)1容易地應用到例如飛輪裝置等各種用途。

作為制造上述那樣的軸構(gòu)件2的方法沒有特別限定，可以使用以往公知的嵌合方法將最內(nèi)徑層21、中間層22以及最外徑層23各層依次嵌合來進行制造。

其中，圖2中所示的軸構(gòu)件2由從內(nèi)層側(cè)依次為最內(nèi)徑層21、中間層22以及最外徑層23的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，但在本實施方式中不限定于這樣的三層結(jié)構(gòu)。例如，如圖4的剖視圖所示例子的軸構(gòu)件20那樣，也可以為由兩種不同種類的材料層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，最內(nèi)徑層25也可以是熱傳導率高于最外徑層26的良好的熱傳導材料。即，圖4所示的軸構(gòu)件20與圖2所示的軸構(gòu)件2在未設置中間層方面大為不同。

就圖4所示的軸構(gòu)件20而言，最內(nèi)徑層25由大致軸狀的雄構(gòu)件構(gòu)成，在圖示例子中，該軸構(gòu)件20具有凸緣狀的散熱部25a和軸部25b。

散熱部25a省略了詳細的圖示，但形成為凸緣狀，其是將最內(nèi)徑層25和最外徑層26嵌合之后外周面在軸構(gòu)件20的軸向上露出規(guī)定長度的部位。另外，在將最內(nèi)徑層25的軸部25b插入最外徑層26的嵌合孔26a內(nèi)時，散熱部25a還作為用于最外徑層26的大氣側(cè)端部抵接的擋塊的發(fā)揮作用。另外，圖4的示意圖中省略了詳細的圖示，但與圖1和圖2中所示的軸構(gòu)件2同樣，散熱部25a也可以構(gòu)成為，多個凹部形成為葉片狀。在將散熱部25a形成為葉片狀的情況下，在因該軸構(gòu)件20高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生摩擦熱時，通過發(fā)揮高散熱效率而能夠抑制溫度上升。

因此，通過圖2和圖4，本實施方式中，最內(nèi)徑層21、25或中間層22中的至少一部分為在軸構(gòu)件2、20的軸向上向外部露出規(guī)定長度的散熱部22c、25a。

軸部25b是形成為從凸緣狀的散熱部25a延伸的軸狀部位，雖省略詳細的圖示，但形成為大致圓棒狀。軸部25b為嵌入最外徑層26的嵌合孔26a的部位。

作為最內(nèi)徑層25的材質(zhì)，也可以使用與軸構(gòu)件2的最內(nèi)徑層21相同的材料，例如，也可以使用鋁材料、銅合金(鉻銅)等良好的熱傳導材料。

另外，作為最外徑層26的材質(zhì)，也可以使用與軸構(gòu)件2所具有的最外徑層23相同的材料，例如，也可以使用不銹鋼材料(sus630)等磁性材料。

本實施方式中，即使在采用圖4所示那樣的雙層結(jié)構(gòu)的軸構(gòu)件20來代替圖1和圖2所示的軸構(gòu)件2的情況下，也能夠充分地提高軸構(gòu)件的散熱性，因此，能夠抑制軸構(gòu)件20的溫度升高及隨之的熱膨脹。由此，能夠抑制最外徑層26與磁極構(gòu)件的間隙的尺寸變化，從而能夠維持優(yōu)異的密封性，因此，利用磁性流體密封結(jié)構(gòu)1能夠進行穩(wěn)定的真空分離。

此外，在本實施方式的磁性流體密封結(jié)構(gòu)1中，除了上述軸構(gòu)件的層結(jié)構(gòu)、材質(zhì)的組合帶來的優(yōu)化以外，還可以在殼體構(gòu)件3具有冷卻結(jié)構(gòu)。具體而言，雖然省略圖示，但在殼體構(gòu)件3中，也可以具有冷卻用液體注入口，并且也可以在磁極構(gòu)件5的外徑側(cè)具有圓環(huán)狀槽，從上述液體注入口供給的冷卻用液體也可以流通到磁極構(gòu)件5的圓環(huán)狀槽。

這樣一來，通過設置能夠從殼體構(gòu)件3的液體注入口向磁極構(gòu)件5的圓環(huán)狀槽供給冷卻用液體的結(jié)構(gòu)，能夠有效地冷卻磁力產(chǎn)生單元4和磁極構(gòu)件5，從而能夠有效地抑制因使軸構(gòu)件2高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦熱所引起的各構(gòu)件的溫度上升。

[作用效果]

根據(jù)本實施方式的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)1，一邊使軸構(gòu)件2滿足旋轉(zhuǎn)軸的功能，一邊在內(nèi)層側(cè)配置熱傳導率優(yōu)異的不同種類的材料層，因此，導熱至軸構(gòu)件2的摩擦熱變得易于向外部散熱，從而軸構(gòu)件2的散熱性提高。由此，例如，即使在以每秒數(shù)十米的圓周速度使旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的情況下，也能夠抑制軸構(gòu)件2的溫度上升及隨之的熱膨脹，因此，能夠進行穩(wěn)定的真空分離。

此外，以上說明的實施方式中的各結(jié)構(gòu)以及它們的組合等為一個例子，在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，能夠進行結(jié)構(gòu)的添加、省略、置換以及其他的變更。另外，本發(fā)明并不受上述實施方式的限制，而是只由權(quán)利要求書來進行限定。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明的高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)例如通過應用于飛輪儲能系統(tǒng)等中使用的旋轉(zhuǎn)軸的密封結(jié)構(gòu)，能夠抑制伴隨旋轉(zhuǎn)軸的溫度上升的熱膨脹，從而能夠維持優(yōu)異的真空分離功能。

附圖標記的說明：

1高速旋轉(zhuǎn)用磁性流體密封結(jié)構(gòu)(磁性流體密封結(jié)構(gòu))

2軸構(gòu)件

3殼體構(gòu)件

4磁力產(chǎn)生單元

5磁極構(gòu)件

6密封構(gòu)件

7磁性流體

20軸構(gòu)件