JP2005155894A - Fluid bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二つの部材間に介在する流体の圧力によって、部材を支持する流体軸受に関する。 The present invention relates to a fluid bearing that supports a member by the pressure of a fluid interposed between two members.
二つの部材の間を流体で満たし、流体の圧力によって、一方の部材を他方の部材に対して支持する流体軸受が知られている。流体軸受には、部材間に、あらかじめ圧力を高めてある流体を供給する静圧軸受と、二つの部材の相対移動によって流れる流体を、この流体自身の流れによって狭い部分に押し込めるようにして圧力を発生させる動力学的な軸受がある。後者の軸受においては、流体が押し込められる「狭い」空間を形成するために、二つの部材の間隔を大きくすることはできない。また、前者、後者双方の軸受において、流体の圧力が逃げないようにするために、二つの部材の間隔を大きくすることができない。したがって、二つの部材間の間隔が変動するような場合、あらかじめ変動分を見込んで間隔を大きく設定しておくことができない。 A fluid bearing is known in which a space between two members is filled with a fluid, and one member is supported with respect to the other member by the pressure of the fluid. The hydrodynamic bearing includes a hydrostatic bearing that supplies a fluid whose pressure has been increased in advance between the members, and a fluid that flows by the relative movement of the two members so that the fluid is forced into a narrow part by the flow of the fluid itself. There are dynamic bearings to generate. In the latter bearing, the distance between the two members cannot be increased in order to form a “narrow” space into which the fluid is forced. Further, in both the former and the latter bearings, the distance between the two members cannot be increased in order to prevent the fluid pressure from escaping. Therefore, when the interval between the two members fluctuates, it is not possible to set the interval large in advance in consideration of the variation.
下記特許文献1においては、そのスラスト軸受において一方の部材を弾性的に支持して部材間の間隔の変化に対応する構成が示されている。すなわち、軸と共に回転するスラストディスクと、回転方向に固定された流体フォイル部材の間に、動力学的に流体圧を発生させるスラスト軸受において、流体フォイル部材の背面を複数枚のスプリングフォイル部材により支持し、このスプリングフォイル部材が弾性変形することにより、流体フォイル部材の変位を許容する構成が示されている。この構成によれば、軸受を構成し、相対移動する二つの部材の一方の変位に追従して他方の部材が変位することができるので、あらかじめこれら二つの部材の間隔を狭く設定することができる。 In the following Patent Document 1, a configuration is shown in which one member of the thrust bearing is elastically supported to cope with a change in the interval between the members. That is, in a thrust bearing that dynamically generates fluid pressure between a thrust disk that rotates with the shaft and a fluid foil member that is fixed in the rotational direction, the back surface of the fluid foil member is supported by a plurality of spring foil members. However, a configuration is shown in which the spring foil member is elastically deformed to allow displacement of the fluid foil member. According to this configuration, since the other member can be displaced following the displacement of one of the two members that move relative to each other, the distance between the two members can be set narrow in advance. .
前述の特許文献1に記載された軸受においては、流体フォイル部材、すなわち圧力を発生する流体に接し、背面より弾性的に支持される部材は、薄板で構成され、剛性が低い。このため、この部材は、流体の圧力が高くなると、この圧力によって変形し、流体の圧力を発生するために決定されている所期の形状を正確に保つことができない。よって、この部材を含む軸受は、形状が変形しないときに期待される許容荷重よりも低減するため、比較的大きな許容荷重を達成できないし、大きな許容荷重を得ようとすれば、大きな軸受面積が必要となり、高速回転に制約があり、実用できないという問題があった。 In the bearing described in the above-mentioned Patent Document 1, a fluid foil member, that is, a member that is in contact with a fluid generating pressure and is elastically supported from the back surface is formed of a thin plate and has low rigidity. For this reason, when the pressure of the fluid becomes high, the member is deformed by the pressure, and the desired shape determined to generate the pressure of the fluid cannot be accurately maintained. Therefore, since the bearing including this member reduces the allowable load expected when the shape does not deform, a relatively large allowable load cannot be achieved, and if a large allowable load is to be obtained, a large bearing area is required. There was a problem that it was necessary and there was a restriction on high-speed rotation, and it was not practical.
また、動圧を利用した流体軸受一般に言えることであるが、動圧を発生するための流体を十分に供給すること、大きな動圧を発生することなどの要求がある。 In addition, as is generally true for fluid dynamic bearings using dynamic pressure, there are demands such as supplying a sufficient amount of fluid for generating dynamic pressure and generating large dynamic pressure.
流体軸受の流体に接する部材の、流体の圧力による変形を抑制するのに有利な構成を提供する。軸受内の流体の圧力を高めるのに好適な構成を提供する。 Provided is an advantageous configuration for suppressing deformation of a member in contact with fluid of a fluid dynamic bearing due to fluid pressure. A configuration suitable for increasing the pressure of the fluid in the bearing is provided.
また、流体を軸受部分に効率的に供給し、また効率的に動圧を発生することに有利な軸受の構造を提供する。 Further, the present invention provides a bearing structure that is advantageous in efficiently supplying fluid to the bearing portion and efficiently generating dynamic pressure.
本発明の流体軸受は、流体を介して対向する二つの部材の一方を弾性的に支持することによって、二つの部材間の間隔の変化を吸収し、間隔の変動を抑制する。また、弾性支持され、流体に接する部材の剛性を十分高くし、流体の圧力による変形を抑制する。すなわち、流体に接する部材は、これを支持する弾性部材の剛性より十分大きいものであり、これによって、もう一方の部材の変位は、弾性部材の変形により吸収される一方、部材の圧力を発生させるための形状は、部材の高い剛性によって維持される。 The fluid dynamic bearing of the present invention elastically supports one of the two members facing each other through the fluid, thereby absorbing the change in the interval between the two members and suppressing the variation in the interval. Moreover, the rigidity of the member that is elastically supported and is in contact with the fluid is sufficiently increased, and deformation due to the pressure of the fluid is suppressed. That is, the member in contact with the fluid is sufficiently larger than the rigidity of the elastic member that supports the member, whereby the displacement of the other member is absorbed by the deformation of the elastic member while generating the pressure of the member. The shape for this is maintained by the high rigidity of the member.
本発明の流体軸受をスラスト軸受として適用する場合、流体を介して対向する二つの部材を略円環板形状とし、これらの部材の対向する面の一方に、半径方向に延び、その内側端が半径方向内側に向けて開放している放射溝と、周方向の一端が前記放射溝に連続しており、他端が隔離されている凹部を設けることができる。流体が内周より放射溝を通って凹部に供給される。放射溝の外周端が、これが設けられた部材の円環外周より内側となるようにして、流体を放射溝より凹部に効率的に送るようにすることができる。放射溝が外周縁まで達するようにして、その外側端部の開口断面積を、内側端部の開口断面積より 小さくしておくことにより、流体を凹部に効率的に送るようにすることもできる。また、放射溝をほぼ一定の断面積として、外周縁まで達するようにした場合には、放射溝が設けられた部材を囲うように配置した外周リングにより、放射溝の外側開口部の少なくとも一部を覆うようにして、流体の流れの一部をせき止め、凹部に流れやすくすることができる。 When the fluid dynamic bearing of the present invention is applied as a thrust bearing, the two members facing each other through the fluid have a substantially annular plate shape, extend radially to one of the opposing surfaces of these members, and the inner end thereof is It is possible to provide a radiating groove that opens inward in the radial direction and a concave portion in which one end in the circumferential direction is continuous with the radiating groove and the other end is isolated. The fluid is supplied from the inner periphery to the recess through the radiation groove. The fluid can be efficiently sent from the radiation groove to the recess so that the outer circumferential end of the radiation groove is located inside the annular outer circumference of the member provided with the radiation groove. By allowing the radial groove to reach the outer periphery and making the opening cross-sectional area of the outer end smaller than the opening cross-sectional area of the inner end, the fluid can be efficiently sent to the recess. . In addition, when the radiation groove has a substantially constant cross-sectional area and reaches the outer peripheral edge, at least a part of the outer opening of the radiation groove is provided by an outer ring arranged so as to surround the member provided with the radiation groove. As a result, a part of the fluid flow can be damped to facilitate the flow into the recess.
前記凹部についても、その外側が、これが設けられた部材の円環外周より内側に位置するようにし、流体が外側に逃げないようにして効率よく圧力を発生させることができる。また、外側を円環外周まで達するようにした場合は、凹部が設けられた部材を囲うように配置した外周リングにより、流体が逃げないようにすることができる。また、凹部の深さは内周側で深く、外周側で浅くすることも好適である。特に、凹部の底を2段の階段状とし、内周側の段が深く、外周側の段を浅くすることができる。浅い部分は、軸の回転速度が低いときに有効に圧力が高くなり、深い部分は、回転速度が高いときに大きな圧力が発生する。このように、凹部の深さを半径方向に異ならせることで、より広い回転数域で、大きな動圧効果を有効に得ることができる。 As for the concave portion, the outer side is located inside the outer periphery of the ring of the member provided with the concave portion, and pressure can be efficiently generated so that the fluid does not escape to the outside. Further, when the outer side reaches the outer periphery of the ring, the fluid can be prevented from escaping by the outer ring arranged so as to surround the member provided with the recess. It is also preferable that the depth of the concave portion is deep on the inner peripheral side and shallow on the outer peripheral side. In particular, the bottom of the recess can be formed in a two-step shape, the inner peripheral step can be deep, and the outer peripheral step can be shallow. In the shallow part, the pressure is effectively increased when the rotational speed of the shaft is low, and in the deep part, a large pressure is generated when the rotational speed is high. Thus, by making the depth of the recesses different in the radial direction, a large dynamic pressure effect can be effectively obtained in a wider rotational speed range.
二つの部材間を満たした流体は、回転部材に引きずられて周方向に流れを生じる。そのとき、部材間の隙間には速度勾配が生じ、回転部材側が高くなる。流体の圧力は、速度に比例するので回転部材側に放射溝と凹部を形成した方がより高い圧力を発生する。一方、回転することにより遠心力が発生し、隙間内の流体は半径方向外側にも流れようとする。圧力発生は放射溝から凹部にかけての周方向流れによりなされるので、放射溝の圧力が高まれば、より高い圧力が発生する。したがって、放射溝の外周側の端を開放しないようにしたり、一部を塞いで開放断面積を小さくして、放射溝内で遠心力により放射溝内の圧力を高めるようにする。 The fluid filled between the two members is dragged by the rotating member to generate a flow in the circumferential direction. At that time, a speed gradient is generated in the gap between the members, and the rotating member side becomes higher. Since the pressure of the fluid is proportional to the speed, higher pressure is generated when the radial groove and the recess are formed on the rotating member side. On the other hand, centrifugal force is generated by the rotation, and the fluid in the gap tends to flow outward in the radial direction. Since pressure is generated by a circumferential flow from the radiation groove to the recess, higher pressure is generated if the pressure in the radiation groove increases. Therefore, the outer peripheral end of the radiating groove is not opened, or a part of the radiating groove is closed to reduce the open sectional area so that the pressure in the radiating groove is increased by centrifugal force in the radiating groove.
本発明の流体軸受はラジアル軸受として適用することができる。軸の表面と、流体を介してこれと対向する略円筒の部材とにより流体軸受を構成し、これらの対向する面の一方に軸方向に延びる軸方向溝と、周方向一端が軸方向溝に連続し、他端が軸方向溝から隔離されている凹部を設けることができる。流体が、軸方向溝から凹部に効率よく供給される。 The fluid dynamic bearing of the present invention can be applied as a radial bearing. A fluid bearing is constituted by the surface of the shaft and a substantially cylindrical member facing the fluid through the fluid. An axial groove extending in the axial direction is formed on one of the opposed surfaces, and one end in the circumferential direction is formed into the axial groove. A recess can be provided which is continuous and the other end is isolated from the axial groove. Fluid is efficiently supplied from the axial groove to the recess.
本発明の流体軸受で、スラスト軸受を構成する場合、一方の部材を弾性支持する支持点は、その部材の流体の圧力を受ける面の半径方向内側の端付近であることが好ましい。軸に固定された部材の変位は、半径方向外側で大きく、内側で小さいため、内側にて支持した方が、変位によく対応することができる。 When the thrust bearing is constituted by the fluid bearing of the present invention, the support point for elastically supporting one member is preferably near the radially inner end of the surface of the member that receives the fluid pressure. Since the displacement of the member fixed to the shaft is large on the outside in the radial direction and small on the inside, the support on the inside can cope with the displacement better.
本発明の流体軸受で、スラスト軸受を構成する場合、二つの部材は平行、あるいは両者間の隙間を半径方向外側で小さくすることが好ましい。二つの部材間で発生する流体の圧力は、半径方向外側で大きくなる。それに対応して部材が変位し、半径方向の隙間が大きくなる。それに対して、あらかじめ半径方向の隙間を小さくしておけば、圧力による変位が生じても隙間を平行に保つことができる。 When the thrust bearing is constituted by the fluid bearing of the present invention, it is preferable that the two members are parallel or that the gap between the two members is made smaller on the outer side in the radial direction. The pressure of the fluid generated between the two members increases on the radially outer side. Correspondingly, the member is displaced and the radial gap is increased. On the other hand, if the gap in the radial direction is reduced in advance, the gap can be kept parallel even if displacement due to pressure occurs.
本発明の流体軸受は、圧縮した流体を二つの部材の内周側から供給することにより、許容荷重を大きくすることができる。圧縮した流体を供給することによる静圧効果により部材間の隙間の圧力が増加し、かつ部材間の相対移動による動圧効果をも高めることができる。 The fluid bearing of the present invention can increase the allowable load by supplying the compressed fluid from the inner peripheral sides of the two members. The pressure in the gap between the members increases due to the static pressure effect caused by supplying the compressed fluid, and the dynamic pressure effect due to the relative movement between the members can also be enhanced.
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図1は、本発明の実施形態の流体軸受が適用されたターボチャージャ10の概略構成を示す断面図である。図面の向かって左側がコンプレッサ12、右側がタービン14を構成する。コンプレッサ12とタービンに共通のシャフト16の左端にはコンプレッサインペラ18、右端にはタービンロータ20が固定され、三者が一体となって回転する。コンプレッサ12とタービン14の間の部分のシャフト16にラジアル軸受22が構成される。また、コンプレッサ12の背面側にスラスト軸受24が構成される。ラジアル軸受22は、図示するように比較的軸長の短い軸受を2個離して配置する他に、軸長の長い1個を配置するようにしてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a
スラスト軸受24は、シャフト16に同軸に固定され、これと一体に回転する回転円板26と、ケーシング28に回転方向の動きが規制されて支持される軸受部30,32より構成される。二つの軸受部30,32は、回転円板26を挟むようにして配置され、回転円板26、すなわちシャフト16およびインペラ18,ロータ20の軸方向の動きを規制している。回転円板26の前面側(図中左側)の軸受部30(以下、前面軸受部30と記す)は、ケーシングに固定される軸受基部34と、ばねにより弾性支持され回転円板26に対向する前面対向円板36を含む。ばねによる支持構造の詳細については後述する。一方回転円板26の後面側(図中右側)の軸受部32(以下、後面軸受部32と記す)は、ケーシング28に固定される後面対向円板38を含む。後面対向円板38は、前面対向円板36と同様、回転円板26に対向しているが、前面対向円板36のような弾性支持はなされておらず、ケーシング28に対して回転方向にも軸方向にも、動かないように固定されている。
The thrust bearing 24 is composed of a rotating
回転円板26と前面および後面対向円板36,38との互いに対向する面は、この対向する面に挟まれた領域の流体に圧力を発生するような形状となっており、この圧力によって、回転円板26などの軸方向の動きが規制され、位置決めが達成されている。この形状については、後に詳述する。
The mutually facing surfaces of the
図2は、スラスト軸受を構成する前面および後面軸受部30,32と回転円板26を分解して示した斜視図である。また、図3は、前面対向円板36の支持構造の詳細を示す図である。前面対向円板36は、ケーシング28に固定される軸受基部34に対し、円環板状のばね40を介して支持されている。さらに、詳しく説明すれば、ばね40は、その内周付近で、軸受基部34に対し、内側リング42を介してビス44にて固定され、一方、外周付近において、前面対向円板36に対し、外側リング46を介してビス48にて固定される。この構造により、前面対向円板36は、回転方向の動きを規制され、一方で、軸方向の動きまたは軸の傾きについては、ばね40の弾性により許容される。
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the front and
ターボチャージャ10を運転する場合、シャフト16は、コンプレッサ12側すなわち左向きにスラストを受ける。このため、回転円板26は基本的に前面対向円板36側に接近し、こちらの間隙が、後面対向板38側より狭くなる。すなわち、シャフト16の振れ回りによる回転円板26と間隙の変動は、前面側の方が影響が大きく、本実施形態の装置においては、前面側の軸受部30に弾性支持構造を設けている。したがって、他の装置において、後面側に影響が大きく出るのであれば、こちらに弾性支持構造を設けることもでき、また、運転状態により影響が出る面が変わるような場合など、前面側、後面側両方に設けることも可能である。
When the
図2に示されるように、前面および後面対向円板36,38の、回転円板26に対向する面には、凹部又は溝が形成されている。すなわち、内周から外周のやや手前まで半径方向に延びる放射溝50と、内周と外周の中間付近に略円弧状または略弓形に設けられた凹部としてのポケット溝52を有している。図4および図5には、これらの溝の詳細が示されている。図5は、図4に示すX−X線、すなわち後面対向円板36と同心の円弧による断面図である。放射溝50は、内周側の端は、前面対向円板36の内周の縁に達しているが、外周の縁には達していない。これによって、放射溝50内の流体が、回転による遠心力によって外周側に逃げることが押さえられる。ポケット溝52は、流体の流れに対して、放射溝50の下流側に延び、この溝周囲の外周側、内周側そして下流側に壁面54が構成される。
As shown in FIG. 2, recesses or grooves are formed on the surfaces of the front and
回転円板26は、図4(a)において矢印Aで示す左回りに回転し、この回転によって、回転円板26と前面対向円板36の間に介在する流体が引きずられて、矢印Aの方向に回転する。この流体の流れが図5の矢印Bで示されている。また、前面対向円板36の内側から、放射溝50によってポケット溝52に供給された流体も、周方向の流れによって、矢印Cの向きに流れる。ポケット溝52の底面は、図5に示すように流体の流れに沿って徐々に浅くなるように傾斜が付けられており、壁面54に達する。流体は、このくさび状に、そして段差が設けられて、狭められていく空間に、押し込まれるように流れていき、これにより圧力Pが発生する。この圧力Pが回転円板36、すなわちシャフト16を軸方向に支持する力となる。このとき、ポケット溝52の内周側、外周側にそれぞれ壁面54が設けられており、これにより流体の流れにより発生する圧力が、流れの側方に逃げることを抑えている。
The
後面対向円板38にも前面対向円板36と同様の放射溝、ポケット溝が形成されている。回転円板26が、軸方向より二つの対向円板36,38に狭持され、これらの円板の軸受を構成する面に形成された溝形状により発生する圧力により、シャフト16が軸方向に支持される。
Radial grooves and pocket grooves similar to those of the
本実施形態において、ポケット溝52は、流体の流れに沿って徐々に浅くなるように構成されているが、同一の深さに形成されてもよい。
In the present embodiment, the
本実施形態によれば、軸または回転部材と、軸受部との互いに対向する面のいずれか一方に、周囲よりくぼむように設けられたポケットと、このポケットが設けられた面と同一の面に、その面の縁よりポケット溝の前記流体の流れに関して上流側の縁に至るように設けられた溝と、を有する流体軸受が提供される。 According to the present embodiment, a pocket provided so as to be recessed from the surroundings on one of the mutually facing surfaces of the shaft or the rotating member and the bearing portion, and the same surface as the surface provided with this pocket And a groove provided from the edge of the surface to the upstream edge of the pocket groove with respect to the fluid flow.
弾性支持される前面対向円板36は、ばね40より十分に大きな剛性を有しており、流体に発生する圧力による変形は、ばね40に生じるものが前面対向円板36のものより十分に大きい。すなわち、前面対向円板36は、ばね40に対して剛体とみなせる程度に十分な剛性となっている。前面対向円板36は、実質的に剛体であるので、放射溝50、ポケット溝52を含め、その表面の形状が流体の圧力によってほとんど変形せず、安定して圧力を発生し、スラスト力を支持することができる。
The front-facing
この実施形態においては、軸受を構成する面のうち固定されている面、すなわち前面および後面対向円板36,38の回転円板26に対向する面に、圧力を発生する溝を形成したが、回転する側の面、すなわち回転円板26の面に溝を形成することもできる。その場合は、図4(b)に示すように、内周部に円環状の溝53を付加する。これにより放射溝の内側端が内周に向けて開放し、流体が放射溝50に、内周側より滑らかに流れ込むのを助ける。
In this embodiment, grooves that generate pressure are formed on the fixed surfaces among the surfaces constituting the bearing, that is, on the surfaces facing the
また、溝の形状は、流れの方向に、流れの断面積が小さくなるような形状であって、流体がそこに押し込められて圧力が発生されるようになれば、どのような形状であってもよい。 Also, the shape of the groove is such that the cross-sectional area of the flow becomes smaller in the direction of flow, and any shape can be used as long as the fluid is pushed into it and pressure is generated. Also good.
図6は、対向円板の支持構造の他の例を示す図であり、また図3に対応して描かれている。回転円板26に対向して、図3の前面対向円板36に対応する対向円板56が配置されている。対向円板56は、図3に示す軸受基部34に対応する軸受基部58に固定された背面支持板60に弾性支持されている。背面支持円板60は、ビス62により軸受基部58に固定され、回転方向にも軸方向にもこれと一体となっている。対向円板56および背面支持円板60は、同一の外径を有する円環板であり、その外周面には周方向に延びる外周溝64,66が形成されている。この二つの外周溝64,66を架け渡すように断面がコの字形をした、円環形状のクリップ68が係合されている。また、対向円板56と背面支持円板60の間には、断面が図示するような略S字形で全体として円環形状のばね70が配置されている。このばね70を押し縮めるようにした状態で、対向円板56と背面支持円板60の外周を前述のクリップ68で止め、これらの円板が結合される。図示するように、これらの円板56,60は結合された状態で間隙が形成されており、この間隙によって対向円板56の、軸の倒れを含む軸方向の動きが許容される。対向円板56には、前述の前面対向円板36と同様の放射溝とポケット溝が設けられている。また、回転円板26側にこれらの溝を設けることも可能である。
FIG. 6 is a view showing another example of the support structure of the opposing disk, and is drawn corresponding to FIG. A
図7〜10には、対向円板の表面形状の他の例が示されている。対向円板236は、前述の対向円板36と類似の構成を有する。すなわち、放射溝250と、表面にくぼんで設けられたポケット溝252を有している。放射溝250は、対向円板236の内側縁まで達し、ここで内周側に向けて開放している。一方、放射溝250の外周側の端は、対向円板236の外側の縁まで達しているが、図8およびZ−Z線断面図である図9に示すように、外周側の開放断面積は内周側より小さくなっている。すなわち、放射溝250は、内周側は深く彫られた深溝部250aとなっており、外周側は浅く彫られた浅溝部250bとなっている。浅溝部250bは、対向円板236の外周縁近傍に設けられており、放射溝250を流れる流体をある程度せき止めて、圧力を発生させている。また、放射溝250の外周側において、溝の断面積を小さくするには、図9に示した深さを変える手法以外のものを採用することができる。例えば、溝の幅を狭めることも可能である。
7 to 10 show other examples of the surface shape of the counter disk. The
図10には、ポケット溝252の図7に示すY1−Y1線断面が示されている。図示されるように、ポケット溝252も内周側と外周側でその深さが異なっている。すなわち、内周側の深溝部252aと、外周側の浅溝部252bを有する、半径方向に2段の階段形状となっている。周方向の流れによる動圧は、回転速度を高めていくと、まず浅い部分で発生し、高速となってから深い部分で発生する。高速域において、大きな圧力を発生するのは、深い部分である。本実施形態では、外周側を浅溝部252bとして、径方向外側で圧力を高め、回転円板の振れを抑える力をより外側に発生するようにしている。これにより、低回転時の振れを効率よく抑制するようにしている。また、深溝部252aを内側に設け、高回転時に内側で大きな力を発生するようにして、回転円板26、対向円板236に加わる曲げモーメントを小さくし、これらの円板の変形を抑制している。
FIG. 10 shows a cross section of the
図11,12には、対向円板の表面形状のさらに他の例が示されている。対向円板336も、前述の対向円板36と類似の構成を有し、放射溝250と、凹部としてのポケット溝352を有している。放射溝250は、図7等に示したものと全く同様であり、その説明を省略する。ポケット溝352は、その外側の端が対向円板336の外周縁まで達している。また、図12のY2−Y2線断面図に示されるように、前述のポケット溝252と同様に2段の階段状の構成を有する。内側の深溝部352aに対して、外側の浅溝部352bが、流体が外側に流れ出るのを阻止するように機能し、深溝部352aでの動圧発生を確保している。浅溝部352bより外周へと逃げる流体は、対向円板352の外側に、その外周にわずかの隙間を持ってリングを配置することによって阻止することができる。
11 and 12 show still another example of the surface shape of the counter disk. The
図7,図11等に示した対向円板の表面形状は、回転円板に適用することも可能である。この場合、図4(b)に示したように、円環溝を設け、流体が放射溝に流れ込みやすいようにすることが好適である。 The surface shape of the opposing disk shown in FIGS. 7 and 11 can also be applied to a rotating disk. In this case, as shown in FIG. 4B, it is preferable to provide an annular groove so that the fluid can easily flow into the radiation groove.
図13には、対向円板436と軸受基部434の配置の例を示す図である。基本的には、図3に示した配置に準じているが、対向円板436の放射溝450と、対向円板436の外周と軸受基部434の関係が前述の例と異なる。放射溝450は、対向円板436の外周縁まで達している。また、軸受基部434の、対向円板436の外周に面するリング状の部分(以下、リング部434aと記す)は、対向円板436とわずかの隙間を持って位置している。放射溝450の外側の開口に対しては、隙間の狭い部分(図中左側)と、隙間の広い部分(右側)を形成するように、段が形成されている。放射溝450の開口
部分の断面積を制御して、放射溝内の流体の流れを制御する。これにより、放射溝の外側の端部の加工が容易となる。また、リング部434aが対向円板436に近接しているために、例えば、図11などに示したようにポケット溝が対向円板の外周縁まで達している場合であっても、ポケット溝内の流体が外周側に逃げることを防止できる。また、回転円板に放射溝を設けた場合であっても適用できる。
FIG. 13 is a view showing an example of the arrangement of the
図14には、対向円板536の表面形状の更に他の例が示されている。放射溝550、ポケット溝552が湾曲している。この例は、前述した例と逆に流体は図中時計回りに旋回する。放射溝およびポケット溝が湾曲しているのは、外側の部分で、流体の周方向の速度成分により内側に向かう流れを形成して、半径方向外側に向かう流れを抑え、動圧を効率よく発生させるためである。
FIG. 14 shows still another example of the surface shape of the
次に、ラジアル軸受22(図1参照)の構成について説明する。図15〜図17は、ラジアル軸受22の構成を示す図である。図15は軸を含む断面、図16は軸直交断面、図17は軸受面を展開した状態を示す図である。シャフト16には、これと同軸に、円筒の外周面をもつスリーブ72が固定され、シャフト16と一体となって回転する。スリーブ72を囲うようにして外周軸受部74が、ケーシング28に設けられている。外周軸受部74は、スリーブ72の外周面に対向する軸受面を有する対向円筒76と、ケーシング28に固定結合される軸受基部78を有し、さらに軸受基部78に対して対向円筒76を弾性支持するためのばね80を有している。ばね80は、軸受基部78の内周面と、対向円筒76の外周面との間に配置され、ばね鋼の薄板を円環状に形成し、周方向所定の間隔で凹凸が設けられた形状となっている。ばね80により対向円筒76を弾性支持することにより、シャフト16の半径方向の移動、振れ回り等の倒れを吸収することができる。
Next, the configuration of the radial bearing 22 (see FIG. 1) will be described. 15 to 17 are diagrams showing the configuration of the
対向円筒76の内周面82は、対向円筒76とスリーブ72の間隙にある流体に圧力を発生させる形状となっている。具体的には、軸方向に延びる軸方向溝84と、略方形のポケット溝86が形成されている。これらの溝は、前述したスラスト軸受24における放射溝50とポケット溝52に対応し、軸方向溝84は流体を供給し、ポケット溝86に、スリーブ72の回転によって送り込まれる流体により圧力が発生する。また、対向円筒76は、前述の対向円板36と同様、ばね80に対して十分な剛性を持っており、流体に発生した圧力による変形は、わずかであり、圧力の不均一による変位は、ばね80が弾性変形することにより担われる。
The inner
本実施形態のラジアル軸受22、スラスト軸受24において、圧力発生を担う流体は、気体、特に空気である。コンプレッサ12により圧縮された空気が、コンプレッサインペラ18の出口付近より通路88および背面ケーシング90と軸受基部34の隙間を通って、前面軸受部30の内周側に導かれる。ここから、放射溝50に入り、回転円板26と前面対向円板36の間に供給される。また、後面軸受部32とラジアル軸受22には、ケーシング28に設けられた通路92により空気が供給される。後面軸受部32においても放射溝により空気が軸受内に導かれる。ラジアル軸受22においては、軸方向溝84により軸受内に空気が導入される。
In the
図18は、スラスト軸受の他の構成例を示す図である。回転円板100に対向して、弾性支持される対向円板102が配置されている。これらの円板の対向する面の一方には、前述の前面対向円板36と同様の溝が形成されている。回転円板100および対向円板102は、外周に向かって厚みが増している。発生する圧力が外周側で大きくなるのに対応して、対向円板102は外周側でより大きく、回転円板100から離れるように変形する。この変形を打ち消すようにあらかじめ外周側の間隔を小さくするように、厚みの変化を持たせている。図10においては、回転円板100、対向円板102の双方について厚みを変化させているが、一方のみとすることも可能である。
FIG. 18 is a diagram illustrating another configuration example of the thrust bearing. Opposing to the
図19は、スラスト軸受の更に他の構成例を示す図である。回転円板104に対向して、弾性支持される対向円板106が配置されている。これらの円板の対向する面の一方には、前述の前面対向円板36と同様の溝が形成されている。対向円板106は、その最も内周側で支持部108により支持されている。支持部108は弾性を有しており、これがたわむと対向円板106が変位する。この変位は、内周側を支持されているので、外周側の変位が大きくなる。一方、回転円板104にシャフトの振れ回りによる倒れが発生した場合、回転円板104の各部の軸方向の変位は、外周が大きくなる。前述のように対向円板106は、外周でより大きくなるので、回転円板104の倒れに対し、より有効に変位して、回転円板104との接触が防止される。
FIG. 19 is a diagram showing still another configuration example of the thrust bearing. A
図20は、スラスト軸受の更に他の構成例を示す図である。回転円板110に対向して、支持部材112にて弾性支持される対向円板114が配置されている。支持部材112は、略L字形であり、その短辺がハウジングに固定され、長辺が対向円板114の内周近傍に固定されている。この構成においても、図11と同様、対向円板114の外周側が自由端となり、より大きな変位が許容され、回転円板110の振れ回りを吸収することができる。
FIG. 20 is a diagram showing still another configuration example of the thrust bearing. A
図21は、本発明にかかる流体軸受を採用した装置の他の例である。図21は、マイクロガスタービンの、コンプレッサ120とタービン122を固定しているシャフト126に、発電機128を取り付けた装置である。ラジアル軸受130が発電機128の前後に配置され、スラスト軸受132は発電機128の前側、すなわちコンプレッサ120側に配置される。ラジアル軸受130とスラスト軸受132の構成は、それぞれ前述のラジアル軸受22とスラスト軸受24のものと同一であり説明は省略する。
FIG. 21 is another example of a device employing the fluid dynamic bearing according to the present invention. FIG. 21 shows an apparatus in which a
図22は、本発明にかかる流体軸受を採用した装置のさらに他の例である。図22は、電気モータ140とこれに駆動されるコンプレッサ142を含む装置である。電気モータ140の前後にシャフトを支持するラジアル軸受144が配置される。また、コンプレッサ142のインペラの背面にスラスト軸受146が、更にその後方にラジアル軸受148が配置される。個々のラジアル軸受144,148およびスラスト軸受146の構成は、それぞれ前述のラジアル軸受22とスラスト軸受24のものと同一であり説明は省略する。
FIG. 22 shows still another example of the apparatus employing the fluid dynamic bearing according to the present invention. FIG. 22 shows an apparatus including an
図23には、本発明にかかる流体軸受を採用した装置のさらに他の例であるタービン発電機が示されている。タービン発電機は、発電機150とこれを駆動するタービン152を含む装置である。発電機の前後にシャフトを支持するラジアル軸受154が配置される。また、タービンのロータ背面にスラスト軸受156が配置される。個々のラジアル軸受およびスラスト軸受の構成は、前述のラジアル軸受、スラスト軸受と同様である。
FIG. 23 shows a turbine generator which is still another example of an apparatus employing the fluid dynamic bearing according to the present invention. The turbine generator is a device including a
10 ターボチャージャ、12 コンプレッサ、14 タービン、16 シャフト、22 ラジアル軸受、24 スラスト軸受、26 回転円板、28 ケーシング、30 前面軸受部、32 後面軸受部、34 軸受基部、36 前面対向円板、38 後面対向円板、40 ばね、50 放射溝、52 ポケット溝、72 スリーブ、74 外周軸受部、76 対向円筒、78 軸受基部、80 ばね、84 軸方向溝、86 ポケット溝。
DESCRIPTION OF
Claims (26)
前記軸受部は、
基部材と、
前記回転部材に対向する軸受面を有する対向部材と、
前記基部材に対して前記対向部材を弾性支持する弾性部材と、
を有し、
前記対向部材は剛体であって、前記弾性部材により弾性支持されることによって、前記軸または前記回転部材の変位に追従可能となっている、
流体軸受。 A shaft or a rotating member that rotates integrally with the shaft, and a bearing portion that is disposed to face the shaft or the rotating member, and the shaft or the rotating member and the bearing portion move relative to each other. A hydrodynamic bearing that supports a shaft via a compressible fluid interposed therebetween,
The bearing portion is
A base member;
A facing member having a bearing surface facing the rotating member;
An elastic member that elastically supports the opposing member with respect to the base member;
Have
The opposing member is a rigid body, and is elastically supported by the elastic member, so that it can follow the displacement of the shaft or the rotating member.
Fluid bearing.
前記回転部材と前記対向部材は、それぞれ前記軸と同軸の略円環板形状を有し、これらの部材の互いに対向する面の一方に、半径方向に延び、その内側端が半径方向内側に向けて開放している放射溝と、周方向の一端が前記放射溝に連続しており、他端が隔離されている凹部を有している、
流体軸受。 The hydrodynamic bearing according to claim 1,
Each of the rotating member and the opposing member has a substantially annular plate shape coaxial with the shaft, and extends radially on one of the opposing surfaces of these members, and its inner end faces radially inward. And a radiating groove that is open, and one end in the circumferential direction is continuous with the radiating groove, and has a recess that is isolated at the other end.
Fluid bearing.
前記放射溝が設けられた前記回転部材または前記対向部材の外周を囲んで配置される外周リングを有し、
前記外周リングが、前記放射溝の外側端の開放部の一部を覆い、開放部断面積を小さくしている、
流体軸受。 The hydrodynamic bearing according to claim 4,
An outer peripheral ring disposed around an outer periphery of the rotating member or the opposing member provided with the radiation groove;
The outer peripheral ring covers a part of the open portion at the outer end of the radiation groove, and reduces the cross-sectional area of the open portion.
Fluid bearing.
前記放射溝と前記凹部は、前記回転部材に設けられ、
前記回転部材は、前記凹部の内側に、これと離れて配置される円環溝を更に有し、
前記放射溝の内側端は前記円環溝に達している、
流体軸受。 The hydrodynamic bearing according to claim 2,
The radiation groove and the recess are provided in the rotating member,
The rotating member further has an annular groove disposed on the inner side of the concave portion and separated from the concave portion,
The inner end of the radial groove reaches the annular groove,
Fluid bearing.
前記対向部材は、前記軸と同軸の略円筒形状を有し、当該対向部材と前記回転部材の互いに対向する面の一方に、前記軸方向に延び、少なくとも一端が当該流体軸受の端に達している軸方向溝と、周方向の一端は前記軸方向溝に連続し、他端は隔離され、軸方向の両端は当該流体軸受の両端より内側に位置する、
流体軸受。 The hydrodynamic bearing according to claim 1,
The opposing member has a substantially cylindrical shape coaxial with the shaft, and extends in one of the opposing surfaces of the opposing member and the rotating member in the axial direction, with at least one end reaching the end of the fluid bearing. The axial groove and one end in the circumferential direction are continuous with the axial groove, the other end is isolated, and both ends in the axial direction are located inside the both ends of the fluid bearing,
Fluid bearing.
前記回転部材は前記軸と同軸の回転軸を有する略円環板形状を有し、
前記対向部材は、前記回転部材と略平行となるよう配置された板状部材である、
流体軸受。 The hydrodynamic bearing according to claim 1,
The rotating member has a substantially annular plate shape having a rotation axis coaxial with the axis;
The opposing member is a plate-like member disposed so as to be substantially parallel to the rotating member.
Fluid bearing.
前記回転部材は、前記軸と同軸の回転軸を有する略円環板形状を有し、
前記対向部材は、前記回転部材と略平行あるいは、両者の隙間が半径方向外側で小さくなるように配置された板状部材で構成された流体軸受。 The hydrodynamic bearing according to claim 1,
The rotating member has a substantially annular plate shape having a rotating shaft coaxial with the shaft,
The counter member is a fluid bearing constituted by a plate-like member arranged so as to be substantially parallel to the rotating member or so that a gap between the opposing members becomes smaller outside in the radial direction.
前記回転部材は、前記軸と同軸の略円環板形状を有し、この回転部材の軸受部に対向する面には、半径方向に延びる放射溝と、周方向の一端が前記放射溝に連続し、他端が隔離されている凹部と、前記凹部の内側に、これと離れて配置される円環状の円環溝とが設けられ、
前記放射溝の内側端は前記円環溝に達している、
流体軸受。 A shaft or a rotating member that rotates integrally with the shaft, and a bearing portion that is disposed to face the shaft or the rotating member, and the shaft or the rotating member and the bearing portion move relative to each other. A hydrodynamic bearing that supports a shaft via a compressible fluid interposed therebetween,
The rotating member has a substantially annular plate shape coaxial with the shaft, and a radial groove extending in a radial direction and one end in a circumferential direction are continuous with the radial groove on a surface facing the bearing portion of the rotating member. The other end is isolated, and an annular ring groove disposed apart from the recess is provided inside the recess,
The inner end of the radial groove reaches the annular groove,
Fluid bearing.
前記軸受部は、前記回転部材に対向する軸受面を有し、前記軸と同軸の略円環形状を有する対向部材を有し、
前記軸受面には、半径方向に延び、内側の端が当該軸受部の円環形状内周側の縁に達している放射溝と、周方向の一端が前記放射溝に連続し、他端が隔離されている凹部とが設けられた、
流体軸受。 A shaft or a rotating member that rotates integrally with the shaft, and a bearing portion that is disposed to face the shaft or the rotating member, and the shaft or the rotating member and the bearing portion move relative to each other. A hydrodynamic bearing that supports a shaft via a compressible fluid interposed therebetween,
The bearing portion has a bearing surface facing the rotating member, and has a facing member having a substantially annular shape coaxial with the shaft,
The bearing surface has a radial groove extending in a radial direction and having an inner end reaching an annular inner peripheral edge of the bearing portion, one end in the circumferential direction is continuous with the radial groove, and the other end is Provided with an isolated recess,
Fluid bearing.
前記放射溝が設けられた前記回転部材または前記対向部材の外周を囲んで配置される外周リングを有し、
前記外周リングが、前記放射溝の外側端の開放部の一部を覆い、開放部断面積を小さくしている、
流体軸受。 The hydrodynamic bearing according to claim 18,
An outer peripheral ring disposed around an outer periphery of the rotating member or the opposing member provided with the radiation groove;
The outer peripheral ring covers a part of the open portion at the outer end of the radiation groove, and reduces the cross-sectional area of the open portion.
Fluid bearing.
流体軸受。 25. The fluid dynamic bearing according to claim 1, wherein compressed fluid is supplied from an inner peripheral side of the bearing portion to a gap formed by the rotating member and the bearing portion. And flows through this gap toward the outer circumference,
Fluid bearing.
圧縮された流体が前記回転部材と前記軸受部とで形成される隙間に軸受部の内周側から供給され、この隙間を外周側に向かって流れる、
流体軸受。
A shaft or a rotating member that rotates integrally with the shaft, and a bearing portion that is disposed to face the shaft or the rotating member, and the shaft or the rotating member and the bearing portion move relative to each other. A fluid bearing that supports a shaft via a fluid interposed therebetween,
The compressed fluid is supplied from the inner peripheral side of the bearing portion to the gap formed by the rotating member and the bearing portion, and flows through the gap toward the outer peripheral side.
Fluid bearing.
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