JP2004092771A

JP2004092771A - フォイル型動圧ガス軸受

Info

Publication number: JP2004092771A
Application number: JP2002254423A
Authority: JP
Inventors: Koji Horikawa; 堀川　浩司
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】発熱の少ないフォイル型動圧ガス軸受を提供する。
【解決手段】回転体を非接触で軸受するアッパーフォイル５と、このアッパフォイル５を支持するアンダーフォイル３と、前記アッパーフォイル５の端部に対応する軸上にネジ溝１１ａ、１１ｂを設けた回転体１１と、前記アッパーフォイル５およびアンダーフォイル３の一端を保持するキー溝４ａ〜４ｆを設けたステータ２から構成される。回転体１１の回転により前記ネジ溝１１ａ、１１ｂから冷却ガスが吸引され、気体膜６の発熱がより多く外部に運ばれ、軸受内の温度が低下する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、コンプレッサやタービン等のターボ型高速回転機器に用いられるフォイル型動圧ガス軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４（ａ）は従来のフォイル型動圧ガス軸受の縦断面図、図４（ｂ）は横断面図を示したものでる。回転体１とステータ２間には、アンダーフォイル３ａ〜３ｅがアッパーフォイル５を支持するようにアンダーフォイル３ａ〜３ｅおよびアッパーフォイル５の各一端がステータ２のキー溝４ａ〜４ｇに装着されている。
【０００３】
図５の作動原理図に示されるように回転体１が矢印方向に高速回転すると、フォイル型動圧ガス軸受内の冷却ガスは矢印方向に流れ、アッパーフォイル５と回転体１間の冷却ガスに気体膜の動圧Ｐが発生し、気体膜（ガス膜）６が形成される。またアンダーフォイル３はアッパーフォイル５を支持し、回転体１の高速回転時、回転体１は前記気体膜６を介してアッパーフォイル５と非接触状態で回転する。
【０００４】
軸受内部では、回転体１の高速回転によりアッパーフォイル５と回転体１の間隙に冷却ガスが送り込まれて気体膜６が形成され、この気体膜６に接触して回転体１が高速で回転するため発熱が生じる。この発熱による温度上昇を抑えるためステータ２、アンダーフォイル３、アッパーフォイル５及び回転体１の各微小隙間に冷却ガスを通過させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフォイル型動圧ガス軸受は上記のように構成されているが、冷却ガスが通過する隙間は、フォイル回り止め用にステータ２に設けられたキー溝４ａ〜４ｇの隙間及び上述の軸受内部隙間の微小隙間があるため、フロン等の冷却効率のよい高圧ガスを使用しなければならないという使用ガス種の制限がある。もし、高圧ガスを用いることができない場合、冷却流路が狭いため、十分な冷却効果が得られず、温度上昇によってアンダーフォイル３やアッパーフォイル５等に熱変形や耐熱劣化を生じるという問題がある。
【０００６】
また、回転体１の加減速時には、十分気体膜が形成される回転速度に到達するまで、回転体１はアッパーフォイル５と接触して回転するが、アッパーフォイル５の表面には焼き付け等による不具合を防止するため、コーティングが施されている。特に、図６に示すように回転体１のアンバランスにより傾いて振れ回る時には、アッパーフォイル５のエッジ７と強く接触する。起動停止を繰り返すことにより、接触する箇所において次第に摩耗によりコーティングが剥げ、メンテナンス時に軸受交換を行わないと焼き付け等の不具合が生じる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、アッパーフォイルと回転体間への冷却ガスによる冷却効率が高く、軸受のコーティング寿命の長いフォイル型動圧ガス軸受を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のフォイル型動圧ガス軸受は、高速回転する回転体と、内筒面上に複数のキー溝を設けて前記回転体を軸承するステータと、前記キー溝に装着され前記内筒面側に配設されたアンダーフォイルと、前記キー溝に装着され前記回転体側に配設されたアッパーフォイルとを備え、前記回転体と前記ステータ間に冷却ガスを導入し、回転体を高速で回転させることにより、前記アッパーフォイル上に気体膜を形成し前記回転体を浮遊状態で軸承すると共に、回転体の外面上に回転方向に沿ってネジ溝を設けている。
また、アッパーフォイルの長手方向の稜線部に対向する回転体の外径を小さくしている。
さらには、アッパーフォイルの長手方向の稜線部に対向する回転体の外径を小さくすると共に、前記稜線部をまたぐように回転体の外面上に回転方向に沿ってネジ溝を設けている。
本発明のフォイル型動圧ガス軸受は上記のように構成されており、回転体とステータ間の隙間への冷却ガス流路部での圧力が低減され、ガス通過量が増加するので、熱変形不具合や耐熱不良が防がれ、アッパーフォイルの稜線部の摩耗がなくなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明のフォイル型動圧ガス軸受を説明する。図１は本発明の第１実施例によるフォイル型動圧ガス軸受の縦断面図（ａ）と横断面図（ｂ）を示したものである。本フォイル動圧ガス軸受は、ネジ溝１１ａ、１１ｂが外面上に形成された回転体１１と、この回転体１１との間に気体膜６が形成されるアッパーフォイル５と、このアッパーフォイル５を支持するアンダーフォイル３（３ａ〜３ｅ）と、前記アンダーフォイル３およびアッパーフォイル５の各一端を保持するためのキー溝４ａ〜４ｆが設けられたステータ２から構成されている。
【０００９】
冷却ガスは、図の左方（矢印方向）から圧入され、回転体１１とステータ２の間の隙間、すなわち、回転体１１とアッパーフォイル５との間、アッパーフォイル５とアンダーフォイル３との間、アンダーフォイル３とステータ２との間を通過して右方から取り出される。この状態で回転体１１が矢印方向に高速度で回転すると、回転体１１とアッパーフォイル５との間に冷却ガスが吸引されて動圧が発生し、回転体１１はアッパーフォイル５から浮上し、回転体１１は、アッパーフォイル５と非接触状態で軸承されることになる。
【００１０】
本実施例においては、冷却ガスは前記ネジ溝１１ａ、１１ｂを通しても左方から右方方向に流れるので、従来のフォイル型動圧ガス軸受に比し、冷却ガスの供給量を増加させることができる、気体膜６と回転体１１の回転摩擦によって発熱した熱量のは供給冷却ガス量に比例して軸受外に運びだされるので、発熱温度の上昇を抑えることができる。
【００１１】
図２は、本発明の第２実施例によるフォイル型動圧ガス軸受の構成を示す縦断面図である。本フォイル型動圧ガス軸受は、アッパーフォイル５の端部より内側部分に対応する軸の部分を太く、アッパーフォイル５の端部より外側部分に対応する軸の部分を細くした回転体１２と、この回転体１２との間に気体膜６が形成されるアッパーフォイル５と、このアッパーフォイル５を支持するアンダーフォイル３と、前記アンダーフォイル３およびアッパーフォイル５の各一端を保持するためのキー溝４ａ〜４ｆ（図１（ｂ）参照）が設けられたステータ２とから構成されている。
【００１２】
冷却ガスは、図の左方の矢印方向から圧入され、回転体１２とステータ２の間の隙間、すなわち、回転体１２とアッパーフォイル５との間、アッパーフォイル５とステータ２との間、アンダーフォイル３とステータ２との間を通過する。この場合、回転体１２が高速で回転すると、回転体１２とアッパーフォイル５との間にガスが吸引され、この部分の冷却ガスに動圧が発生する。この動圧によって回転体１２は、アッパーフォイル５と非接触状態で軸承されることになる。
【００１３】
本実施例においては、回転体１２の軸径が細い部分での冷却ガスの空気抵抗が低下するので、従来のフォイル型動圧ガス軸受に比し、冷却ガスの供給量を増加させることができるので、気体膜６と回転体１２の回転摩擦によって発熱した熱量は供給冷却ガス量に比例して軸受外に運びだされるので、発熱温度の上昇を抑えることができる。
また、アッパーフォイル５のエッジと回転体１２は、起動・停止時の気体膜６が不完全な場合においても接触しなくなるため、アッパーフォイル５の表面のコーティングの剥がれを抑制することができる。
【００１４】
図３は、本発明の第３実施例によるフォイル型動圧ガス軸受の構成を示したものである。本フォイル動圧ガス軸受は、アッパーフォイル５に対応する軸の部分を太く、アッパーフォイル５の端部を含みそれ以外の部分に対応する軸の部分を細くすると共に、細い軸から太い軸への稜線に沿って複数のネジ溝１３ａ、１３ｂが設けられた回転体１３と、この回転体１３との間に気体膜６が形成されるアッパーフォイル５と、このアッパーフォイル５を支持するアンダーフォイル３と、前記アンダーフォイル３およびアッパーフォイル５の各一端を保持するためのキー溝４ａ〜４ｆ（図１（ｂ）参照）が設けられたステータ２とから構成されている。
【００１５】
冷却ガスは、矢印方向から送入され、回転体１３とステータ２の間の隙間、すなわち、回転体１３とアッパーフォイル５との間、アッパーフォイル５とステータ２との間、アンダーフォイル３とステータ２との間を通過する。この場合、回転体１３が矢印方向に高速で回転すると、回転体１３とアッパーフォイル５との間に冷却ガスが吸引され、この部分の冷却ガスに動圧が発生する。この動圧によって回転体１３は、アッパーフォイル５と非接触状態で軸承されることになる。
【００１６】
この場合、冷却ガスは回転体１３のネジ溝１３ａ、１３ｂを通して矢印方向に流れると共に、軸径の細い部分での空気抵抗が低下するので、従来のフォイル型動圧ガス軸受に比し、冷却ガス供給量が増加することになり、気体膜６によって発熱した熱量の一部は効率良く軸受外に運びだされ、発熱量を低く抑えることができる。
また、第２実施例と同様にアッパーフォイル５のエッジと回転体１３は、起動・停止時の気体膜６が不完全な場合においても接触しなくなるため、アッパーフォイル５の表面の剥がれを抑制することができる。
【００１７】
なお、本発明のフォイル型動圧ガス軸受は、ステータ２に保持されるアッパーフォイル５やアンダーフォイル３の形状や枚数については図示のものに限定されるものではない。
【００１８】
【発明の効果】
本発明のフォイル型動圧ガス軸受は、以上述べたように、回転体にネジ溝あるいは軸方向に段差を設けたり、あるいはその段差部分にネジ溝を設けることにより、冷却ガスの通過量が増加し、軸受内の発熱量がより多く外部に運び出されるために発熱が抑えられると共に、各フォイルの熱変形が少なくなりコーティング寿命を伸ばすことができる。また、フォイムのエッジと回転体との接触を防ぐことでコーティング寿命を伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例によるフォイル型動圧ガス軸受の構成を示す縦断面図（ａ）と横断面図（ｂ）である。
【図２】第２実施例によるフォイル型動圧ガス軸受の構成を示す縦断面図である。
【図３】第３実施例によるフォイル型動圧ガス軸受の構成を示す縦断面図である。
【図４】従来のフォイル型動圧ガス軸受の構成を示す縦断面図（ａ）と横断面図（ｂ）である。
【図５】フォイル型動圧ガス軸受の作動原理図である。
【図６】従来のフォイル型動圧ガス軸受の動作状態を示す図である。
【符号の説明】
１、１１、１２、１３…回転体
２…ステータ
３、３ａ〜３ｆ…アンダーフォイル
４ａ〜４ｇ…キー溝
５…アッパーフォイル
６…気体膜
７…エッジ
１１ａ、１１ｂ、１３ａ、１３ｂ…ネジ溝
Ｐ…気体膜の動圧

Claims

高速回転する回転体と、内筒面上に複数のキー溝を設けて前記回転体を軸承するステータと、前記キー溝に装着され前記内筒面側に配設されたアンダーフォイルと、前記キー溝に装着され前記回転体側に配設されたアッパーフォイルとを備え、前記回転体と前記ステータ間に冷却ガスを導入し、回転体を高速で回転させることにより、前記アッパーフォイル上に気体膜を形成し前記回転体を浮遊状態で軸承するようにしたフォイル型動圧ガス軸受において、回転体の外面上に回転方向に沿ってネジ溝が設けられていることを特徴とするフォイル型動圧ガス軸受。
アッパーフォイルの長手方向の稜線部に対向する回転体の外径を小さくしたことを特徴とする請求項１記載のフォイル型動圧ガス軸受。
アッパーフォイルの稜線部をまたぐように、回転体の外面上に回転方向に沿ってネジ溝が設けられていることを特徴とする請求項２記載のフォイル型動圧ガス軸受。