Differentially-pumped ferrofluidic seal

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に強磁性流体シールに関し、より詳しくは、高真空にある環境から大気圧の環境へと通される高速回転シャフトをシールするための、機械的に安定な多段階強磁性流体シール装置、及び高速回転シャフトを接地するための方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ助成トモグラフィ（ＣＡＴ
スキャン）は、高真空の領域にあるアノードに向けて電子ビームを発射することにより生成されるＸ線を用いる医療的診断方法である。 この用途においては、低密度のＸ線を長い時間発生するのではなく、高密度のＸ線を比較的短時間発生することが必要である。 なぜならば後者の方が人体により耐性があるからである。 この目的のためには、アノードに衝撃を与えてＸ線を発生させるために、高電力の電子ビームを用いるのが有利であるが、この方法は金属製のアノードに熱を生じ、また放射線により誘起される劣化を生ずる。 従って、アノードは通常、
非常に迅速に（１分当たり６０００から１２０００回転）回転するシャフト上に設けられ、それにより電子ビームに対して新しいアノード表面が連続的に呈示されるようにされる。 アノード表面がビームの外側へと回転すると、再度ビーム内へと導入される前に冷却することが可能となり、かくしてアノードの劣化が回避される。 また、Ｘ線を発生するアノード及びその支持装置は、人体に関する所要の種々の角度からの分析を比較的短時間で実行することができるように、一般にはＣＡＴスキャン装置の上部を横切って前後に激しく加速される。 従って軽重量であることが望ましく、また高真空を維持するための連続的な排気の必要性を排除することが有利である。 この用途においては、１分当たり６０００から１２
０００回転（ＲＰＭ）のアノード支持シャフト速度が長期にわたって達成されることが理想であり、従ってシャフト構成の機械的安定性は極めて重要である。

【０００３】電子銃がアノードに向けて発射されるにつれて、アノード及びシャフトには電荷が蓄積されるから、シャフトは効率的に電気的に接地されねばならない。 さもないと、シャフト支持軸受けとの間でアークが生じ、それらが長期にわたって損なわれることになる。
例えば水銀のスリップリング、カーボンブラシ、或いは金箔ブラシなどを介して、従来から真空環境内部において行われてきた接地は、粒状物質を生成する結果となって真空を汚染する。 また非常に高速のシャフト回転速度（６０００−１２０００ＲＰＭ）においては、シャフトにおける直接的な有効な接地は、どの領域においても不可能となる。 加えて、軸受けの近傍においての従来の接地は、軸受けを損傷する粒状物質を生じ得る。

【０００４】強磁性流体シールは、上述したのと同様の用途において、気体及びその他の汚染物質に対する気密シールを提供するために用いられている。 強磁性流体シールは、コンピュータの磁気ディスク記憶ユニットにおいて汚染物質がディスク領域に到達するのを防止するために、また半導体ウェーハの超高真空製造に用いるよう設計されたロボットアクチュエータについて、さらには精油所及び化学プラントのポンプ用にも用いられている。

【０００５】強磁性流体シールは通常、回転シャフトの周囲では静止状態に留まるように設置されるが、シャフトの周囲でハブが回転する固定シャフトをシールするようにも設置することができる。 これらのシールは一般に、回転シャフトと固定のシール表面との間のギャップに強磁性流体を用いることによって作動するものであって、強磁性流体をギャップ内にシール密封液体Ｏリング状態で保持し集中させるための所望の磁束経路をもたらす環状磁石を含んでいる。 強磁性流体シールは典型的には、軸方向に分極した環状の永久磁石と、この磁石を挟み込んでいる一対の磁気透過性の環状極片とを含み、極片の内側周縁は回転シャフトの外側表面に向かって延在し、それとの間に密接な非接触ギャップを形成するようになっている。

【０００６】一段階強磁性流体シールは、単一の環状極片をシャフトを取り囲む密な近傍に配置し、そして単一の磁石と磁気的に連通させることによって生成される。
強磁性流体は、磁石によって作り出される磁界によって、この極片とシャフトとの間のギャップに保持され、
磁石、極片、ギャップ及びシャフトを含む磁気回路を辿る。 一段階シールにおいては、好適には、やはりシャフトと密接した近傍にあり磁石の他方の極と磁気的に連通している別の環状極片を用いることができる。 この別の極片とシャフトとの間のギャップは一般には強磁性流体を含まないが、この一段階シールにおいて強磁性流体を保持しているギャップを横断する磁束を強め、それによりシールの圧力性能を向上させる。

【０００７】強磁性流体シールは一段階より多くからなることができる。 即ちこのシールは一連の別々の極片からなることができ、或いは極片（単数又は複数）が複数のリッジ及び溝を含み、各々のリッジがシャフトの密接近傍にあって極片とシャフトとの間に環状のギャップを画定するようにできる。 強磁性流体はこれらのギャップの幾つか又は全部に保持されて、多段階強磁性流体シールが形成される。

【０００８】別の実施形態では、一つ又は複数の極片にではなく、シャフトに一連のリッジ及び溝が形成され、
このシャフトを取り囲み密接近傍にある環状の極片及び磁石構造と、密接近傍にある多段階強磁性流体シールを画定する。

【０００９】単一の極片、一連の極片、極片（単数又は複数）の複数のリッジ、或いはシャフトのリッジ（単数又は複数）の各々は、同じ同心半径を有する必要はない。 即ち、得られる環状ギャップの大きさは、極片相互間又はリッジ相互間で同一である必要はない。 加えて、
極片及び／又はリッジが同じ幅である必要もなく、また同じ幾何学的設計である必要もない。 極片又はリッジの幾つかはテーパを付けられて、シャフトの軸心に向かって半径方向に延伸する傾斜壁を有するくさび形の環状ギャップを形成することができる。

【００１０】極片の幅及び／又はテーパの多様さは、結果として一つ又はより多くの環状ギャップにおける強磁性流体の選択的な保持をもたらし、一つ又はより多くの強磁性流体シールを選択的に生じさせ、そこにおいては各々の環状ギャップが本来的にシールを画定する。 加えて、テーパ付きの極片により形成されたギャップは通常は強磁性流体をより長期にわたって保持し、またテーパ付きの極片又はシャフトはシャフト又はハブの高速回転時に強磁性流体が飛散するのを防止する。 本出願人に対して譲渡された、１９８２年１１月２日に発行された米国特許第４３５７０２１号及び１９９２年１月２日に発行された米国特許第４８９０８５０号は、以上のようなギャップ選択的な強磁性流体の保持を記載している。

【００１１】静的又は動的の何れかの条件の下で、高真空系をシールするために用いられている在来の強磁性流体シールは、典型的には、空気の周期的なバーストがシールを通過して真空系内へと導入されることを許容する。 空気のバーストの周期性は、シールの構成と作動条件とに依存している。 さらにまた、静的状態にあった後に強磁性流体シールが最初に用いられる場合には典型的に、空気のバーストが真空系内へと導入される。 このようなバーストが生ずるシール構成においては、高真空環境は連続的排気手段により対処されねばならないが、これは装置全体に重量を付加するものである。

【００１２】この問題を取り除くように設計された、非バーストの多段階強磁性流体シールが、１９８３年１０
月４日に発行された米国特許第４４０７５１８号に記載されている。 そこに記載の発明においては、第一の多段階環状シールが、第二の一段階環状シールとシャフトに沿って直列に配置されており、この第二のシールは第一のシールの高真空側にある。 第一の多段階環状シールは、大気圧（又は高圧）と高真空との間の全圧力降下に耐えるように設計構成されている。 第一と第二のシールの間の環状領域は、大気圧（又は高圧）と高真空の間の圧力、普通は低圧力又は高真空よりも僅かに劣る真空に維持される。 従って、大気圧又は高圧領域とこの中間領域との間の圧力差から生ずる、第一の多段階シールにおける何らかのバーストは、中間領域だけに影響するが、
この領域は低真空に指定されているため、比較的妨害を受けない。 第二の一段階シールの両側の真空は実質的に同一であり、又は第二のシールを横切る圧力差は第二のシールでバーストを生ずるのに必要な圧力よりは小さいものに過ぎない。 従って第二のシールにおいてバーストは生じない。 結果として高真空領域は、改良された、より長きにわたる真空となる。

【００１３】しかしながら、上記の発明においてシャフトを支持している軸受けは、機械的な安定性のために、
第一及び第二のシール並びに中間真空領域と直列に、且つそれらを取り囲んで配置されている。 従って上記の発明において、少なくとも一つの軸受けは高真空領域に露出される。 この構成は結果として、軸受けが高真空領域内へと気体を放出することになり、高真空領域をより早く汚染すると共に損ない、連続的な排気を必要とするものである。

【００１４】高真空領域を軸受けの気体放出から分離するための一つの手法は、「片持ち梁」構成であり、そこにおいては多段階シールがシャフトの周囲に配列され、
全てのシャフト支持用軸受けはこのシールと直列であるが、その大気圧又は高圧側にあるようにされる。 （米国ニューハンプシャー州ナシュアのフェロフルイディクス社から市販されている。）しかしながらこの構成のためには、軸受けはシャフトの比較的端部においてではなく、比較的一緒に近接して隔置されるものであり、その結果シャフトは高回転速度では機械的に不安定となる。

【００１５】さらに、上述した強磁性流体シール構成は、アノードその他の電荷を生成するデバイスが設けられるシャフトをシールするために用いられた場合、シャフトが効果的に電気的に接地されていない場合には、シール間でのアークを生じてしまう。 このようなアークは強磁性流体を「ゲル」化してシールを損傷してしまうが、前述したように、高速の回転シャフトを接地することは難しい。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の一般的な課題は、ほぼ大気圧又は高圧である第一の圧力にある環境と、第一の圧力未満か又はそれに等しく、一般には高真空である第二の圧力にある環境との間を通過する回転シャフトをシールするための、差別的に排気された、
多段階の機械的に安定な、非バースト強磁性流体シール装置を提供することである。 この装置は非常に高速のシャフト回転速度においても機械的に安定なように構成され、なおかつ高真空領域内への軸受けの気体放出及び強磁性流体シールのバーストが排除されるように構成される。 この装置はさらに、連続的な機械的真空排気が必要でないように構成され、またシャフトは高速回転とは余り関係なく、また真空及び軸受けとも余り関係なく電気的に接地される。 上記の課題はシール装置を、高速回転アノードを支持する目的に適合させるものであり、このアノードはＣＡＴスキャン装置その他においてＸ線を発生するために電子ビームに暴露される。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の以上の及びその他の課題、並びに利点は、第一の多段階シールが高速回転可能なシャフトを取り囲み、第一の高圧環境と第二の高真空環境との間の全圧力降下に耐えるよう設計構成された、多段階非バースト強磁性流体シール装置を提供することによって達成される。 シャフトを支持する軸受けは第一の多段階シールの両側に、またシャフトの比較的端部において機械的な安定な構成で設けられ、そして第二の一段階シールがシャフト上に、第一のシールと直列に配列される。 この第二のシールは高真空環境を軸受けから分離して、軸受けが高真空環境内へと気体を放出することを防止し、また第一及び第二のシールの間に密閉された中間容積を画定する。 この中間容積は第一の圧力と高真空の間で高真空よりも僅かに劣る圧力（通常は低圧又は真空）に維持され、第二のシールを横断する高真空環境へのバーストが生じないようになっている。

【００１８】直接的な在来の接地が実行可能なよりも高速で通常回転することが可能なシャフトは、可撓性の導電性駆動ベルトを用いて都合良く接地される。 このベルトはシャフトと係合し、またこの第一のシャフトが回転するよりも遅い速度で、且つ在来手段による接地が実行可能な速度で回転する第二のシャフトと係合する。 第二のシャフトの電気的な接地は好都合には、高真空環境から離れた、また第一のシャフトを支持する軸受けから離れた環境において行われる。

【００１９】本発明の他の利点、新規な特徴及び課題は、添付図面に関連して本発明の以下の詳細な説明を考慮した場合に明らかとなろう。

【００２０】図１を参照すると、従来技術による強磁性流体シール装置１０が示されており、これはアルミニウム、ステンレス鋼その他からなる非磁気透過性のハウジング１１を含み、このハウジングは該ハウジングを真空チャンバ１４の壁１３に固定できるようにする延伸フランジ要素１２を有する。 磁気透過性の中空又は中実のシャフト１５が、大気圧又は高圧環境１６と真空チャンバ１４の間で、ハウジング１１を通って延びている。 ハウジング１１の内側且つ両端には、シャフト１５を支持する軸受け要素１７及び１８が配置されている。

【００２１】このシール装置は、一連のリッジ及び溝を含む磁気透過性の極片１９を含み、リッジはシャフト１
５の密接近傍にあり、シャフトと極片のリッジとの間に環状のギャップ２０を画定している。 極片１９は静的シール２１により、ハウジングの内部壁面に固定される。
このシール装置は、極片１９に直接隣接し且つ磁束接触する、軸方向に分極した永久磁石２２を含み、これにより永久磁石２２、極片１９、シャフト１５及び環状ギャップ２０を含む磁気回路（磁束線２３により示す）が形成されている。 磁束はギャップ２０に集中され、そこには強磁性流体が保持されて、複数のギャップがシャフトの表面の周囲で複数の強磁性流体Ｏリングシールを画定するようになっている。 各々の強磁性流体シールは、所定の圧力性能を有する。 従って、高圧領域１６と真空チャンバ１４即ち高真空領域との間には、一連の圧力段階が形成される。

【００２２】従来技術のこの実施形態において、真空チャンバ１４は、ギャップ２０におけるシールのバースト、および軸受け１８による気体放出を受ける。 従って、真空チャンバ１４に十分な真空を維持するためには、機械的又は拡散ポンプ２４による連続的な排気が必要となる。 図１はまた、シャフト１５を駆動するためのベルトを受容するよう構成された機械加工された領域即ちプーリ３６と、シャフト１５を通して水その他の冷却剤を循環させるための回転ウォーターユニオン４２を示している。

【００２３】図２は、強磁性流体シールについての上述のバーストを示している。 図２（ａ）は、シール段の両側の圧力が同一又はほぼ同一の場合の、一段階極片又は多段階極片の一つの段の下側にある強磁性流体シールの流体形状を示す。 図２（ｂ）は、シールの片側に高圧環境が存在し、他の側には低圧環境が存在している、シールの最大圧力性能時点における一段階強磁性流体シールを示す。 図２（ｃ）は、最大圧力性能を越えて「バースト」が生じた時点、即ち少量の空気その他の気体がシールの高圧側から低圧側へと移動した時点における一段階シールを示す。 このようなバーストは、強磁性流体シールの有効性を減ずる。

【００２４】図３は、上述のバーストの問題を補正するよう設計された、従来技術の強磁性流体シール装置を示す。 この従来技術の実施形態においては、磁束線２３によって示されている磁気回路は、永久磁石２２と、極片２５及び２６と、シャフト１５と、複数の環状ギャップ２０と、及び単一の環状ギャップ２７とを含む。 第一の多段階シールは、極片２５上のリッジがシャフト１５に近接することにより形成された複数の環状ギャップ２０
により画定され、このギャップは磁束によりそこに保持される強磁性流体を含んでいる。 この多段階シールは、
大気圧又は高圧領域１６と真空チャンバ１４内の高真空との間の全圧力降下に耐えるに十分な圧力性能を有するよう設計構成されている。 第二の、一段階強磁性流体シールが、一段階極片２６がシャフト１５に近接することにより形成された環状ギャップ２７により画定されており、このギャップは磁束によりそこに保持された強磁性流体を含んでいる。 この第二の一段階シールが有する圧力耐性は低い。 この実施形態においては、極片２５と２
６の間にある密閉された環状の中間容積２８が、大気圧又は高圧領域１６と真空チャンバ１４内の高真空との間の圧力へと、しかし実質的には高真空に近い圧力へと、
通常は機械的な真空ポンプであるポンプ装置２９により抜気されている。 中間容積２８内の適切な圧力は、ポンプ装置２９を制御するよう構成可能なゲージ９０によって維持されている。 かくして第二の、ギャップ２７にある一段階シールを横切る圧力差は小さく、またこの第二の一段階シールでバーストを生ずる可能性は観念的には排除され、真空チャンバ１４内の高真空はより効果的に維持される。 バーストは第一の、環状ギャップ２０により画定された多段階シールにおいては生ずるが、しかしポンプ装置２９により抜気されている中間容積２８には有害な影響はない。 この構成においては、軸受け１７及び１８はシャフト１５を比較的その端部において、機械的に安定な構成で支持しているが、しかし軸受け１８は高真空環境即ち真空チャンバ１４に露出されており、そこへ気体を放出する。 従って高真空領域たる真空チャンバ１４はこの軸受けの気体放出により僅かに汚染され、
ポンプ２４における連続的な排気により対処されねばならない。

【００２５】図４は、従来技術による多段階強磁性流体シール装置であって、高真空領域内への軸受けによる気体放出の問題を排除するものを示している。 この従来技術の実施形態においては、極片１９、シャフト１５及び永久磁石２２を含む在来の多段階強磁性流体シールが、
シャフト１５上で軸受け１７及び１８よりも高真空側に配置されている。 軸受け１７及び１８は高真空環境即ち真空チャンバ１４からは効果的にシールされており、従って真空チャンバ１４内への軸受けによる気体放出は生じない。 しかしながら、在来の多段階シールにおけるバーストは生ずるため、高真空の真空チャンバ１４はポンプ２４により連続的に抜気されねばならない。 加えて、
この「片持ち梁」式の構成の故に、即ち比較的長いシャフトが軸受け１８から張り出して、高真空環境の真空チャンバ１４にあるシャフト端部にまで至ることにより、
シャフトは機械的に比較的不安定であり、高速のシャフト回転においては過剰の振動が生ずる結果となる。

【００２６】図５は、従来技術によるテーパ付きの一段階強磁性流体シールの断面図を示す。 これは磁石９１
と、この磁石の両側にある極片３１及び３２とからなり、シャフト１５の周りに配置されて、磁束線３３により示される磁気回路を形成している。 最初の設置に際しては、強磁性流体はギャップ３４及び３５の両方に存在しているが、シャフトが高速回転すると、ギャップ３４
にある強磁性流体は蒸発に十分なくらい加熱されるが、
これは極片３１が極片３２よりもかなり細く、シールからの熱を効率的という程には散逸しないからである。 従って、僅かな初期設置動作期間の後にはギャップ３４の強磁性流体は蒸発し、一方ではギャップ３５にある強磁性流体は残存するため、結果的には一段階シールとなる。 極片３２のテーパは、テーパのない極片において存在するよりも多くの容積の強磁性流体をギャップ３５が保持することを可能にし、同時に極片３２と最も近い個所においてはシャフト１５の密接近傍にあるという利点をももたらす。 その結果、リザーバとして作用する過剰の強磁性流体がもたらされ、蒸発に抵抗し、シール寿命は長くされる。

【００２７】

【実施例】図６は本発明による、高速回転シャフトに用いるための、そしてまた最小限の重量の、非バースト、
非気体放出の、機械的に安定な多段階強磁性流体シール構成の一実施例を示している。 図６においては、ＣＡＴ
スキャン装置その他において高密度Ｘ線を発生させるための実施例が示されており、Ｘ線６６を発生させるためにアノード５８に向けて発射される電子銃６５が含まれている。

【００２８】この実施例においては、永久磁石２２、極片１９、磁気透過性のシャフト１５、及び極片１９上のリッジ４９とシャフト１５との間の環状のギャップ４８
からなる第一の多段階強磁性流体ロータリシールが、シャフト１５を取り囲んでいる。 この多段階シールは、大気圧又は高圧領域１６の如き第一の圧力にある環境と、
真空チャンバ１４内の高真空の如き第二の圧力にある環境との間の全圧力降下に耐えるのに十分な圧力性能を有するよう、設計構成されている。 リッジ４９は極片１９
から、好ましくは約０．２５から約１．０ミリ（約０．
０１０から０．０４０インチ）、好ましい実施例では約０．４６から約０．５６ミリ（約０．０１８から約０．
０２２インチ）延びている。 リッジ４９は好ましくは幅が約０．１５から約０．３８ミリ（約０．００６から約０．０１５インチ）であり、また好ましい実施例では約０．２０から約０．２５ミリ（約０．００８から約０．
０１０インチ）の幅である。 極片１９の各々は、好ましくは約１０から約３０のリッジを有して、各々に１０から３０の強磁性流体段を画定し、また好ましい実施例では各々約１７から約２３の段を有する。 環状のギャップ４８を画定するリッジ４９とシャフト１５との間の間隙は、好ましくは約０．０２５から約０．２０ミリ（約０．００１から約０．００８インチ）であり、より好ましくは約０．０５１から約０．１０ミリ（約０．００２
から約０．００４インチ）である。 リッジ及び溝が極片１９にではなく、シャフト１５に設けられている実施例であっても、多段階シールに環状ギャップ４８を形成するものであることが理解されよう。

【００２９】第二の、一段階強磁性流体シールが磁石４
３と、極片４４及び４５と、磁気透過性のシャフト１５
と、環状ギャップ４６及び４７とを含み、第一の多段階シールの高真空側においてシャフト１５を取り囲んでいる。 好ましい実施例においては、極片４４は極片４５よりも幅広いものであり、またシャフト１５に対してより密接近傍にある。 従って強磁性流体は環状ギャップ４６
に選択的に保持され、図５に関して議論したシールの如く一段階シールを生ずる。 極片４４とシャフト１５との間の環状ギャップ４６は、約０．０２５から約０．２５
ミリ（約０．００１から０．０１インチ）の幅、好ましくは約０．０５１から約０．１５ミリ（約０．００２から約０．００６インチ）の幅である。 極片４５とシャフト１５との間の環状ギャップ４７は、約０．０７６から約０．５１ミリ（約０．００３から約０．２０インチ）
の幅、好ましくは約０．１０から約０．２０ミリ（約０．００４から約０．００８インチ）の幅である。 極片４４は平坦又はテーパ付きであることができ、好ましい実施例ではテーパ付きとされて、シャフトの軸心に向かって半径方向に延びる傾斜した壁を有する環状のくさび形のギャップを形成し、その結果より長いシール寿命をもたらす。 環状ギャップ４６に関して上述した寸法は、
極片４４がテーパ付きとされている実施例においては、
シャフト１５に最も近い極片４４の部分に関するものである。 代替的な実施例においては、極片４４及び４５は反対にされ、従って一段階シールは磁石４３の何れの側の極片においても形成することができる。 また別の実施例においては、極片４４それ自体ではなく、極片４４の最も近傍にあるシャフト１５の部分をテーパ付きとすることができる。 一段階シールは磁石と、シャフトと、そして二つの極片ではなく単一の極片とからなることができることをも理解すべきである。

【００３０】第一の多段階シールと第二の一段階シールとの間は、環状の密閉された中間領域５０となっており、大気圧又は高圧領域１６と真空チャンバ１４の高真空との間の圧力へと抜気されている。 中間領域５０は好都合には、大気圧（又は高圧）と高真空の間にある圧力に維持されるが、これは通常は低圧、即ち高真空よりも僅かに劣る真空である。 かくして中間領域５０は理想的に、第二の一段階シールを横断する圧力差がその圧力性能を越えないような圧力（真空）に維持され、その結果、一段階シールのバーストは生じない。 この圧力差は好ましくは２５０ｔｏｒｒよりも小さく、より好ましくは１００ｔｏｒｒよりも小さい。 中間領域５０にはポート９４が接続されていてそこに所望の圧力（真空）を維持するようになっており、ポート９４に接続された排気機構５１がかかる真空を生成し及び／又は維持する。 排気機構５１は機械的な真空ポンプその他からなることができ、好ましい実施例においては、機械的手段により周期的に抜気されることのできる軽量の真空バラストタンクからなる。 ポート９４と排気機構５１との間にはゲージ９２を配置することができ、排気機構５１を制御するように構成可能である。 好ましい実施例では、軽量のバラストである排気機構５１における圧力を測定し、表示するよう構成できる。 代替的な実施例においては、ゲージ９２はバラストである排気機構５１上に配置することができる。

【００３１】シャフト１５は、軸受け１７及び１８を含む機械的に安定な軸受け配列により、その比較的端部において支持されている。 軸受け１８はこの実施例では、
第二の一段階シールによって高真空領域即ち真空チャンバ１４から分離されており、従って軸受け１８からの気体放出は全て中間領域５０のみに影響し、真空チャンバ１４の高真空領域には影響しない。 中間領域５０は作動中、第一の多段階シールからのバースト及び軸受け１８
の気体放出のみを受け、軽量のバラストタンクである排気機構による周期的な排気により、所望の真空に維持することが可能である。 軸受け１７及び１８は、磁気透過性の軸受け又は磁気非透過性の軸受けからなることができる。 磁気透過性の軸受けが用いられる場合には、磁気絶縁手段（図示せず）が軸受けと極片との間に配置されるのが好都合であり、それによりこれらを磁気回路から絶縁する。

【００３２】従って本発明の一つの利点は、真空チャンバ１４内の高真空領域が何らシールのバースト又は軸受けの気体放出を受けず、ただ真空チャンバを形成しているガラスやスチール等の固体材料からの気体放出を受けるだけであるということにある。 従って、真空チャンバ１４は機械的な又は拡散ポンプによる連続的な排気により対処される必要はなく、高真空領域の真空チャンバ１
４のポート６１を指定したイオンポンプ６０の如き軽量の手段を用いて、高真空を容易に維持することができる。 イオンポンプは周知であり、米国カリフォルニア州パロアルトのバリアン社、米国カリフォルニア州サンタクララのサーミオニクス社などから市販されている。 好ましい実施例では、真空チャンバ１４内の高真空領域はイオンポンプ６０によって１×１０ ^-6 ｔｏｒｒまたそれ以下に維持され、その一方において大気圧又は高圧領域１６は１から５気圧の圧力を示す。 初期設置に際して真空チャンバ１４は、ポート６１を介しての機械的排気又は拡散排気などの在来の手段により、高真空へと抜気される。

【００３３】シャフト１５は中実又は中空であることができ、好ましい実施例では中空であって、水、エチレングリコールその他の如き冷却剤を回転ウォーターユニオン４２によりシャフトを通して循環させることができる。 シャフト１５はマルテンサイトステンレス鋼又はその他の磁性合金から製造することができ、好ましい実施例では４１６ステンレス鋼合金から製造される。 シャフト１５は高真空領域である真空チャンバ１４内において、取付プレート５７でもって終端し、その上には回転可能なアノード５８その他を設けることができる。 他方の、大気圧又は高圧領域にある端部においては、シャフト１５は機械加工された領域又はプーリ３６を含み、駆動ベルトを受容する。

【００３４】ハウジング５４は取付フランジ５５を含み、オーステナイトステンレス鋼、アルミニウム、その他の非磁性材料から製造することができる。 好ましい実施例においては、ハウジング５４はステンレス鋼から製造される。 ハウジング５４は冷却剤チャネル７５を含み、そこを通して水、エチレングリコールその他の冷却剤が循環されて、高速回転時に環状ギャップ４８並びに軸受け１７及び１８において発生された熱を受け取り、
またアノード５８において発生された熱を取付プレート５７、シャフト１５及び環状ギャップ４８を介して受け取る。 第二の一段階シールの近傍において、同様のチャネルをハウジング５４に含めることができる。 しかしながら好ましい実施例においては、一段階シール及びそれを取り囲むハウジング５４は全体として、環状ギャップ４６における熱をシールから効率的に受け取り、散逸するのに十分なほど嵩高である。 ハウジング５４にはまた、着脱可能領域９３が含まれており、必要な場合には一段階シール、軸受け１８、及び中間領域５０を容易に保守できるようになっている。

【００３５】本発明の如き種類の強磁性流体シールに用いられる強磁性流体は、技術的に公知のものであり、１
９７５年１１月４日に発行された米国特許第３９１７５
３８号、及び１９８２年１０月２６日に発行された米国特許第４３５６０９８号に記載がある。 米国ニューハンプシャー州ナシュアのフェロフルイディクス社から市販されている幾つかの強磁性流体の何れのものも、本発明の好ましい実施例に用いることができる。 本明細書に示した実施例において最も好ましい強磁性流体は、フェロフルイディクス社から商品番号第ＶＳＧ−８０３として市販されている。

【００３６】図７は、高速回転シャフト１５のプレート５７上に設けられたアノード５８の如き回転可能な導体と接地との間に電気的な接触を確立させるための、本発明の一実施例によるシステムを示している。 この実施例において、シャフト１５は中間の導電手段として機能するものであり、高真空領域である真空チャンバ１４の外側に、大気圧又は高圧領域１６へと延びている。 シャフト１５は、導電性のベルト３７を受容するよう機械加工された領域３６を含む。 代替的な実施例においては、プーリ３６が導電性ベルト３７を受容する。 動作時には、
ベルト３７はプーリ３６即ち機械加工領域の周りに通され、従ってベルト３７の一部は常にこの機械加工領域即ちプーリ３６と静的接触状態にある。 在来のブラシによる接地の場合に生ずるような、相互に相対的な導体の摺動は生じないから、電気的な接触を効果的に行うことができる。 ベルト３７はモータ３９及び第二の導電性シャフト４０により駆動された導電性プーリ３８により係合されており、このプーリ３８とも連続的且つ静的な電気的接触状態にある。 シャフト４０は、水銀スリップリング、グラファイトブラシ、或いは金箔ブラシなどの在来の接地手段４１により接地されている。 好ましい実施例においては、プーリ３８は機械加工領域即ちプーリ３６
よりも大きな半径を有し、従ってシャフト１５はモータの回転につれてシャフト４０よりも高速に回転する。 本発明によるシャフト１５の所望の回転速度（約６０００
から約１２０００ＲＰＭ）においては、在来手段による接地は実行可能ではないが、この構成は約１０００から約４０００ＲＰＭで、好ましい実施例においては約２０
００から３０００ＲＰＭで回転しているシャフト４０に電荷を伝達するものであり、そこにおいては在来手段による接地が実行可能である。

【００３７】接地はまた、軸受けの直近又は高真空領域である真空チャンバ１４内で行うのは望ましくない。 これは在来のブラシが動作時に粒状物質を放出し、それが軸受けを損傷し、真空環境を汚染するからである。 従って本発明は、シャフト１５を支持している軸受けから離れた、また高真空の真空チャンバ１４から離れた位置において接地を好適に実行するものである。

【００３８】上述したように、接地手段４１はいかなる在来の接地用ブラシその他からなることもできる。 好ましい実施例においては水銀スリップリングアセンブリが用いられるが、これは３０００ＲＰＭまでの速度で回転するシャフトを効率的に接地することができる。 かかるスリップリングは技術的に公知のものであり、米国コネチカット州スタンフォードのウェンドン社から市販されている。 導電性のベルトもまた技術的に公知であり、米国コネチカット州ミドルタウンのアドバンスト・ベルト・テクノロジー社から市販されている。 モータ３９は在来のどのようなモータからなることもできる。 かかるモータは、例えばゼネラル・エレクトリック社から容易に入手可能である。

【００３９】図７にはまた、中空のシャフト１５を通して冷却剤を循環し、アノードにおいて、またシャフトの高速回転により生成された熱を取り除くための回転ウォーターユニオン４２が示されている。 回転ウォーターユニオンは技術的に公知であり、米国ノースカロライナ州シャーロットのダフ−ノートン社から市販されている。

【００４０】かくして図７は、従来技術に従って高速シャフト１５が冷却される構成と、本発明の実施例によりこのシャフトが接地される構成を示している。

【００４１】本技術分野における当業者は、本明細書に記載された全てのパラメータが例示を意図したものであること、及び実際のパラメータはシール及び接地構成が使用される特定の用途に依存するものであることを容易に認識するであろう。 従って、上述の実施例は例示としてのみ呈示されたものであって、本明細書の特許請求の範囲、及びその均等の範囲内において、本発明を以上に特定的に記載したのとは異なる仕方で実施することが可能であることが理解されよう。

【００４２】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、ほぼ大気圧又は高圧である第一の圧力にある環境と、第一の圧力未満か又はそれに等しく、一般には高真空である第二の圧力にある環境との間を通過する回転シャフトをシールするための、差別的に排気された、多段階の機械的に安定な、バーストの生じない強磁性流体シール装置が提供される。 この装置は非常に高速のシャフト回転速度においても機械的に安定であり、高真空領域内への軸受けの気体放出及び強磁性流体シールのバーストは排除される。
連続的な機械的排気は必要でなく、高速回転にも関わらずシャフトを好適に接地することができる。 このシール装置は高速回転アノードを支持する等の目的に適しており、ＣＡＴスキャン装置その他において良好に用いられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】回転シャフトの周りで作動する従来技術の強磁性流体シールの断面図である。 図示の便宜のため、この従来技術のシールは回転Ｘ線アノードの用途に用いられたものとして示されている。

【図２】各種の圧力差に対して一段階強磁性流体シールを暴露した場合の既知の効果を示す説明図である。

【図３】第一の多段階シールと第二の一段階シールとの間にある中間の差別的に排気された領域を示す、回転シャフトの周囲で動作する従来技術の強磁性流体シールの断面図である。 図示の便宜のために、この従来技術のシールは回転Ｘ線アノードの用途に用いられたものとして示されている。

【図４】軸受けが高真空領域内へと気体を放出することを排除するために、軸受けと高真空領域の間において多段階シールがシャフト上に配置されており、片持ち梁式のシャフト／軸受け構成を必要としている、回転シャフトの周りで作動状態にある従来技術の強磁性流体シールの断面図である。 図示の便宜のために、この従来技術のシールは回転Ｘ線アノードの用途に用いられたものとして示されている。

【図５】回転シャフトの周りで作動状態にある、従来技術のテーパ付き一段階強磁性流体シールの断面図である。

【図６】本発明の一実施例に従う、回転シャフトの周りで作動する差別的に排気された非バースト強磁性流体シールの断面図である。

【図７】本発明による、高速シャフトの電気的接地構成の一実施例を示す説明図である。

【符号の説明】

１４ 真空チャンバ １６ 大気圧又は高圧領域 １５ シャフト １７，１８ 軸受け １９，４４，４５ 極片 ２２，４３ 永久磁石 ３６ プーリ ３７ ベルト ４６，４７，４８ 環状ギャップ ４９ リッジ ５０ 中間領域 ５１ 排気機構 ５４ ハウジング ５８ アノード ６５ 電子銃 ６６ Ｘ線 ９２ ゲージ

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【手続補正書】

【提出日】平成５年８月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図５】

【図２】

【図３】

【図４】

【図７】

【図６】