JP2003336632A - フォイル式流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】トップフォイル外周側に形成した流体膜におけ
る減衰効果を利用しながら、トップフォイルの信頼性も
高めたフォイル式流体軸受を実現することを課題とす
る。 【解決手段】回転軸と、回転軸に摺動接触する可撓性の
トップフォイルと、トップフォイルを外周から支持する
弾性支持手段と、これらを収容するハウジングとからな
るフォイル流体軸受において、前記トップフォイルと前
記弾性支持手段との間に高圧流体を注入する流体供給手
段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高速回転機械に使用
される流体軸受に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】このようなフォイル式流体軸受として
は、特公昭63―31001号公報に示されるものが知られて
いる。

【０００３】特公63―31001号公報に記載の技術では、
回転軸と摺動接触する弾性フォイルと弾性支持部材とし
てのバネフォイルとの間にダンパフォイルを配置し、弾
性フォイルに圧力解放路と呼ばれる貫通孔を設けてい
る。回転軸の回転時に高圧となった回転軸と弾性フォイ
ルとの間の流体が弾性フォイルとダンパフォイルとの間
に流入して形成される流体膜において、スクイーズ効果
による減衰効果を生じることで安定回転を実現する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなフォイル軸
受においては、トップフォイルに設けられた圧力解放孔
から流入した流体によりトップフォイルとダンパフォイ
ルとの間に流体膜を設けることで減衰効果を生じる。し
かしながら、このような構成ではトップフォイルとダン
パフォイルとの間の流体膜が断熱部材として働き、回転
軸の回転に伴い回転軸とトップフォイルとの間の流体に
生じる熱がトップフォイルにこもるという問題があっ
た。

【０００５】

【課題を解決するための手段】回転軸と、回転軸に摺動
接触する可撓性のトップフォイルと、トップフォイルを
外周から支持する弾性支持手段と、これらを収容するハ
ウジングとからなるフォイル流体軸受において、前記ト
ップフォイルと前記弾性支持手段との間に高圧流体を供
給する流体供給手段を設けることにより課題を解決する
ものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の第
１の実施例について説明する。図１は本発明に掛かるフ
ォイル式流体軸受装置の断面図であり、図２は図１中円
Ａで示した部分の拡大図である。

【０００７】図１に示すように、本発明によるフォイル
式流体軸受においては、軸受ハウジング５の内周側に接
して弾性支持部材４が配置されており、弾性支持部材４
の内周側にトップフォイル２が配置されている。ハウジ
ングの外周側から穿たれた孔は軸受ハウジング５と弾性
支持部材４を貫通し、流体供給手段を形成している。

【０００８】回転軸１の回転につれ、その周囲の流体も
回転軸周りを流れる。回転軸１に荷重が掛かった状態で
は、回転軸１の中心はトップフォイル２の内周面が形成
する円周の中心に対して偏心しているため、回転軸１と
トップフォィル２とのすきまはくさび型となる。くさび
型部分においては流れるにつれ流路が狭くなるため、流
体の圧力は上昇し、流体の圧力が十分高ければ回転軸１
はトップフォイル２から浮上する。トップフォイル２は
可撓性であり、かつ弾性支持部材４に外周側から支持さ
れているのでこの流体の圧力に釣り合うように外周側に
変形する。回転軸１とトップフォイル２との間隔が最も
狭くなっている部分の近傍で流体の圧力も最も高くな
り、トップフォイル２の外周側への変形も大きくなるの
で、結果として回転軸１とトップフォイル２との間隔は
平均化される。

【０００９】図２に示すように流体供給手段１０は、外
部に設置された高圧発生装置からの高圧流体をトップフ
ォイルと弾性支持部材との間に送り込む。高圧発生装置
としては専用のものを設置しても良いが、回転機械中で
流体を昇圧する場合には、その高圧部分から配管を延ば
して取り出しても良い。図１には流体供給手段１０は円
周方向に３個表示してあるが、その数はこれより多くて
も少なくても良い。流体供給手段１０の出口部分の形状
は円形でも良いし、軸方向、または円周方向に長いスリ
ット状でも良い。また、軸方向に複数並べても良い。

【００１０】回転軸１が振動し半径方向外側に変動した
場合、トップフォイル２は外周側に押し出される。これ
に伴い、トップフォイルとミッドフォイルとの間隔も狭
くなる。このときにスクイーズ効果により振動運動を減
衰する作用が生じ、回転軸１の振動は安定化することが
できる。回転軸１とトップフォイルとの間の流体膜にお
いてもスクイーズ効果は生じるが、本発明のように流体
膜を２重にすることでその効果は増加する。

【００１１】さらに、このように外部からの高圧流体を
供給することにより、トップフォイルを冷却することも
可能となる。回転軸の回転に伴い、回転軸とトップフォ
イルとの間の流体は両者の相対運動によるせん断力によ
り加熱される。この熱の一部は流体が回転軸とトップフ
ォイルとのすきまから流れ出るときに流体と共に排出さ
れるが、残りはシャフトやトップフォイルに伝達され
る。冷却が不充分な場合、これらの熱がトップフォイル
などの素材を損傷する原因となる。本発明の構成によれ
ば、トップフォイルの外周側に直接流体が吹き付けるよ
うに流体供給手段が設けられているため、トップフォイ
ルを外部から供給する流体により冷却することが可能と
なる。

【００１２】フォイル式流体軸受に使用されるトップフ
ォイルの厚さは、通常数100μｍであり、一方の面から
流入した熱は他方の面にもすぐに伝わる。したがって、
内周面側から熱せられるものではあるが、本発明のよう
に外周側面を冷却することでも十分な冷却効果を得るこ
とができる。

【００１３】ここで、外部からの流体の流入なくトップ
フォイルと弾性支持部材との間に流体膜を形成する場合
について図７および図８を参照して説明する。図７は従
来のフォイル式流体軸受の断面図。図８は図７中の円Ａ
部分を拡大した図である。

【００１４】図７に示すように、トップフォイル２には
圧力解放路２０という貫通孔が複数設けられている。ま
た、トップフォイル２の外環にはダンパフォイル３とバ
ネフォイル７からなる弾性支持部材４が配置され、これ
らが軸受ハウジングに納められている。

【００１５】回転軸１が回転すると、回転軸１とトップ
フォイル２との間のすきまでくさび効果により流体の圧
力が上昇する。昇圧された流体は、トップフォイル２に
設けられた圧力解放路２０よりトップフォイル２とダン
パフォイル３との間にもれ出る。こうして形成されるト
ップフォイルとダンパフォイルとのすきまにおける流体
膜のスクイーズ効果により軸の振動は緩和されるので、
この軸受を使用することにより振動が小さく安定した回
転機械を提供することが可能である。

【００１６】この場合、トップフォイルは内周側からは
回転軸の回転に伴いせん断損失で高温となった流体によ
り加熱される。また、トップフォイルの外周側のトップ
フォイルとダンパフォイルとの間のすきまに流入する流
体も、すでにトップフォイルと回転軸との間においてせ
ん断損失により加熱された流体である。したがって、ト
ップフォイルは内周側からだけでなく外周側からも加熱
されることになる。特に、流体が気体の場合には熱伝導
率が小さいために断熱された状態となり、トップフォイ
ルの熱が流体を通してダンパフォイル等のさらに外周の
部材に逃げることは難しい。このため、トップフォイル
は高温となりやすく、損傷しやすくなるという懸念があ
った。

【００１７】本発明によれば、トップフォイルは外部に
て圧縮された低温の流体により外周側から冷却されるた
め、材料の強度に影響するような高温に至る事は無く、
耐久性のあるフォイル式流体軸受を提供することができ
る。

【００１８】次に図３および図４を用いて本発明の第２
の実施例について説明する。図３は本発明に掛かるフォ
イル式流体軸受装置の断面図であり、図４は図３中円Ａ
で示した部分の拡大図である。

【００１９】図３においては、弾性支持部材４の内周側
の面に軸受外部と連通する連通孔１２を設けている。流
体供給手段１０からトップフォイル２と弾性支持部材４
とのすきまに流れ込んだ流体は、連通孔１２から軸受装
置外部に流出する。なお、連通孔１２に通じる溝を弾性
支持部材４の表面に設けると、トップフォイル２と弾性
支持部材４とのすきまから流体が流れ出しやすくなり、
より効果的である。このように構成したことで、流体供
給手段１０からトップフォイル２と弾性支持部材４との
すきまに供給される流体を一定とした場合、形成される
流体膜の厚さは薄くなる。薄くなると流体膜におけるス
クイーズフィルムダンパの効果は高くなるため、回転振
動に対してより安定な軸受を提供することが可能とな
る。

【００２０】さらに、トップフォイル２と弾性支持部材
４とのすきまに形成される流体膜の厚さを一定とした場
合、流体供給手段１０から供給される流体の流量は多く
なる。したがって、トップフォイルを冷却する効果は高
くなるため、回転数が大きいなどのより過酷な使用条件
に対しても耐久性があり、信頼性の高い軸受を提供する
ことができる。

【００２１】次に図５および図６を用いて本発明の第３
の実施例について説明する。図５は本発明に掛かるフォ
イル式流体軸受装置の断面図であり、図６は図５中円Ａ
で示した部分の拡大図である。

【００２２】図５においては、軸にかかる荷重の方向は
矢印で示すように下向きとしている。同図に示すよう
に、この例においては流体供給手段が荷重方向をはさみ
相対するように２個設けられている。図６では、停止ま
たは低速回転時に流体供給手段により高圧流体を供給中
の状態を示している。供給される流体の圧力により、ト
ップフォイルは弾性支持部材４から浮上し回転軸になら
うように変形し接触している。流体供給手段の間隔や供
給する流体の圧力を変えることで、回転軸に接触するト
ップフォイルの面積を調節することも可能である。

【００２３】このような構成とすることにより、回転軸
とトップフォイルとの接触面積を大きく取ることが出
来、その接触面圧を均一かつ小さく抑えることが可能と
なる。したがって、起動直後や停止直前の極低速時の境
界潤滑条件域において固体接触する回転軸がトップフォ
イルを損傷させる可能性を低下させることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明にによればフォイ
ル式流体軸受の減衰効果を増すとともにトップフォイル
の冷却が可能となる。したがって、回転振動の小さな回
転機械を実現するとともに、軸受自身の耐久性も増した
フォイル式流体軸受を提供することができる。

【００２５】また、停止時または低速回転時のトップフ
ォイルと回転軸との接触面圧を低下させることにより、
固体接触によるトップフォイル表面の損傷を低減させた
フォイル式流体軸受を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフォイル式流体軸受装置の第１の実施
形態を示す。

【図２】図１のＡ部分の拡大図である。

【図３】本発明のフォイル式流体軸受装置の第２の実施
形態を示す。

【図４】図３のＡ部分の拡大図である。

【図５】本発明のフォイル式流体軸受装置の第３の実施
形態を示す。

【図６】図３のＡ部分の拡大図である。

【図７】従来のフォイル式流体軸受装置の一例を示す。

【図８】図７のＡ部分の拡大図である。

【符号の説明】

１…回転軸、２…トップフォイル、３…ダンパフォイ
ル、４…弾性支持部材、５…軸受ハウジング、７…バネ
フォイル、１０…流体供給手段、１１…流体昇圧装置、
１２…連通孔、２０…圧力解放路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸と、回転軸に摺動接触する可撓性の
   トップフォイルと、トップフォイルを外周から支持する
   弾性支持手部材と、これらを収容するハウジングとから
   なるフォイル流体軸受において、 前記トップフォイルと前記弾性支持手段との間に高圧流
   体を供給する流体供給手段を設けたことを特徴とするフ
   ォイル式流体軸受。
2. 【請求項２】トップフォイルと弾性支持部材との間のす
   きまと軸受装置外部とを連通する孔を設けたことを特徴
   とする請求項１に記載のフォイル式流体軸受。
3. 【請求項３】流体供給手段を、荷重方向をはさみ相対す
   るように複数設けたことを特徴とする請求項１に記載し
   たフォイル式流体軸受。