JP2006329321A - フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 支軸を安定に保持しつつシール性が高く、かつ製作が容易なフォイル軸受を提供する。
【解決手段】 フォイルスラスト軸受１７の翼部３と対峙する粘弾性体２０の表面には溝１９がスパイラル状に刻設され、この刻設による残部には突設部２１が形成されている。この溝１９は、内側であるシャフト貫通路１０側端から外側である吐出室１１側端に向けて断面が次第に拡開されている。フォイルスラスト軸受１７の粘弾性体２０は周状に見ると溝１９、突設部２１、溝１９、突設部２１、・・・のように繰り返されている。そして、このフォイルスラスト軸受１７の表面には全体にわたり薄い金属箔のフォイル１８が張り付けられている。
【選択図】 図３

Description

本発明はフォイル軸受に係わり、特に支軸を安定に保持しつつシール性が高く、かつ製作が容易なフォイル軸受に関する。

近年、種々の機器の小型化に伴い、それらに用いられる送風機やコンプレッサについても小型化の要求が強くなっている。一般的に空調や発電機に使われる送風機では、羽外径が比較的大きく１０００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍの回転数で設計されている。しかし羽外径を小さくし、同程度の出力を得るため、羽を高速で回転させる必要がある。

このように高速回転であっても支軸の剛性を高く安定に保持するため、従来特許文献１に記載されたフォイル軸受が既に出願人により提案されている。このフォイル軸受は、ジャーナル軸受として用いられ、ハウジング内面に一端側を固定ネジで止められた円筒状フォイル部材が、その他端側の解放された状態で３重に捲回されている。

そして、この円筒状フォイル部材の第１層目と第２層目とには中心側に向けて突設された複数の半球状の凸部を有しており、一方第３層目にはこれらの凸部が存在しないように形成されている。第２層目と第３層目とはそれぞれ第１層目の凸部、第２層目の凸部により支持されている。

この第３層目の内側にはシャフトが配設されている。そして、このシャフトが高速に回転することで第３層目は、凸部に支持された部位の剛性が高く、凸部に支持されていない部位の剛性が低いため変形し、その表面を通る空気の粘性により空気圧の高低を生じ、この空気圧を利用してシャフトが安定的に保持されるようになっている。
特開２００３−２４７５４２号公報

ところで、特許文献１に記載されたフォイル軸受では、凸部を多数個成型する必要があったり、円筒状フォイル部材の第１層目をハウジング内面に対し止めなくてはならない等製造工程が複雑であった。

また、スラスト部においては、翼部とハウジングとの間に構造上の隙間が存在するが、この隙間を通じて、吐出室側で加圧された空気が漏れるおそれがあった。そして、この空気の漏れを防止するため、この間の隙間をシールする必要があるが、このシールは従来簡易なものにはできなかった。

仮に、特許文献１に記載されたフォイル軸受のように空気圧を利用して漏れを防止しようとしても、フォイル部材の各層間の凸部による隙間が存在することからこの隙間を通して空気圧が漏れ、シールすることはできなかった。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、支軸を安定に保持しつつシール性が高く、かつ製作が容易なフォイル軸受を提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は、ハウジングと、該ハウジング内部で回転するシャフトと、該シャフトに配設された翼部と、該翼部と対峙され前記ハウジング内に取り付けられたフォイルスラスト軸受とを備え、該フォイルスラスト軸受は、粘弾性体と、該粘弾性体の表面に均等に刻設された溝を有し、該溝の上面にはフォイルが張られたことを特徴とする。

翼部が回転することで粘性ポンプとして機能し、フォイルは空気により押圧され、溝の上面では剛性が低いため表面がＵ字状にたわむ。一方、粘弾性体の上面は剛性が高いため表面はたわまない。このため、フォイルと翼部間の間隙の距離は周状に凹凸を有するように変動し、凹部で空気がポンピングされ、この間隙の距離が狭くなるところでくさび膜効果により一定の圧力が生ずる。

ここで生じた圧力は、吐出室等から加圧された空気が漏れることを阻止するため、シール性が維持される。また、翼部の回転が安定する。
なお、フォイルスラスト軸受は翼部を挟んで一対配設されてもよいし、翼部の片面のみに対峙するように配設されてもよい。

また、本発明（請求項２）は、前記溝はスパイラル状に、かつ外周部に行くに連れて拡開するように形成されたことを特徴とする。

溝をスパイラル状に、かつ外周部に行くに連れて拡開するように形成することで、フォイルスラスト軸受面上に効率よく空気の圧力が生ずる。

更に、本発明（請求項３）は、前記シャフト及び前記翼部には外気と連通する貫通穴が配設されたことを特徴とする。

この貫通穴を通じて外気を吸引し、加圧することができる。

更に、本発明（請求項４）は、ハウジングと、該ハウジング内部で回転するシャフトと、該シャフトに配設された翼部と、前記シャフトと対峙され前記ハウジング内に取り付けられたフォイルジャーナル軸受とを備え、該フォイルジャーナル軸受は、前記シャフト周りに粘弾性体と溝若しくは空洞とが交互に、かつ均等に配置され、該溝若しくは空洞の上面にはフォイルが張られたことを特徴とする。

シャフトが回転されると、遠心力及び空気の粘性により粘性ポンプとして機能し、フォイルは空気により押圧され、溝若しくは空洞の上面では剛性が低いため表面がＵ字状にたわむ。一方、粘弾性体の上面は剛性が高いため表面はたわまない。フォイルとシャフト間の間隙の距離は周状に凹凸を有するように変動し、これによるポンピング効果とくさび膜効果で空気膜内に一定の圧力が生ずる。ここで生じた圧力は、シャフトを安定に保持する。このフォイルジャーナル軸受は、構造が簡単であり、かつ製作が容易である。このため安価である。

更に、本発明（請求項５）は、前記溝若しくは空洞は、前記シャフトの軸方向に対称に配設されたことを特徴とする。

シャフトの軸方向に対称に配設されることで、シャフトに対して軸方向の前後から均等な支持をすることができる。

以上説明したように本発明によれば、フォイルスラスト軸受は、粘弾性体と、この粘弾性体の表面に均等に刻設された溝を有し、この溝の上面にはフォイルを張って構成したので、フォイルと翼部間の間隙に一定の圧力が生ずる。ここで生じた圧力は、吐出室等から加圧された空気が漏れることを阻止するため、シール性が維持される。また、翼部の回転が安定する。。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態である小型送風機の側面概略構成図を図１に、また図１中のＡ−Ａ矢視線断面図を図２に示す。図１及び図２において、柱状のシャフト１の中間部にはシャフト１の径よりも大きな径を有する翼部３が一体形成されている。シャフト１の中心には外気が流入される流入通路５が設けられており、この流入通路５は翼部３において８本の貫通孔７に分岐連通されている。この貫通孔７は流入通路５を中心にして放射状に配設されている。なお、図２中の右半面は、この翼部３を透かした状態を示している。

シャフト１及び翼部３はハウジング９の内部に回転自在に組み込まれている。このハウジング９の翼部３収納部分は膨出され、ハウジング９と翼部３間には周状に吐出室１１が形成されている。そして、この吐出室１１は吐出弁１３を介して外部に連通されている。シャフト１は、ハウジング９の内側に形成されたシャフト貫通路１０内に配設されたフォイルジャーナル軸受１５により支持されている。このフォイルジャーナル軸受１５は、例えば特許文献１に記載されたフォイル軸受により構成される。

一方、翼部３の左右側面には、この翼部３に対峙するように一対の円環状のフォイルスラスト軸受１７が配設されている。図２中の右半面には、翼部３越しに透かした状態でこのフォイルスラスト軸受１７が見えている様子を示している。 なお、翼部３には本来羽が形成されるが、本実施形態では簡単のため羽形状を省略している。また、シャフト１は例えばシャフト端に連結された図示しないエアタービンによって回転されるようになっている。

次に、フォイルスラスト軸受１７の平面図を図３に示す。フォイルスラスト軸受１７を構成する粘弾性体２０の材料は例えば弾性を有するシリコンゴムで形成されている。フォイルスラスト軸受１７の翼部３と対峙する粘弾性体２０の表面には溝１９がスパイラル状に刻設され、この刻設による残部には突設部２１が形成されている。

この溝１９は、内側であるシャフト貫通路１０側端から外側である吐出室１１側端に向けて断面が次第に拡開されている。但し、溝１９の吐出室１１側縁部は吐出室１１とは連通されておらず、密封されたようになっている。フォイルスラスト軸受１７の粘弾性体２０は周状に見ると溝１９、突設部２１、溝１９、突設部２１、・・・のように繰り返されている。

そして、このフォイルスラスト軸受１７の表面には全体にわたり薄い金属箔のフォイル１８が張り付けられている。したがって、このフォイル１８と溝１９の間には袋状の空間が形成されたようになっている。この空間はシャフト貫通路１０に連通されている。金属箔の材質は例えばリン青銅やステンレスである。

次に、本発明の第１実施形態の動作を説明する。シャフト１がエアタービンで回転されると、遠心力により８本の貫通孔７より空気が吐出される。このため、流入通路５には外部から空気が吸入される。吐出された空気は吐出室１１に溜められた後、吐出弁１３を介して外部に吐出される。翼部３が回転することで粘性ポンプとして機能し、フォイル１８は空気により押圧され、溝１９の上面では剛性が低いため表面がＵ字状にたわむ。

一方、突設部２１の上面は剛性が高いため表面はたわまない。このため、フォイル１８と翼部３間の間隙の距離は周状に凹凸を有するように変動し、この間隙の距離が大きい箇所（Ｕ字状にたわんだ底部）から突設部２１の上面にかけての間隙の距離が狭くなるところの傾斜部では空気がシャフト貫通路１０から吸入されポンピングされることで一定の圧力が生ずる。

ここで生じた圧力は、吐出室１１側の空気圧に抗するので吐出室１１側からシャフト貫通路１０に加圧された空気が漏れることを防止でき、シール性が維持される。このため、吐出室１１内の圧力を安定に維持できる。また、翼部３の回転が安定する。

なお、例えば、翼部３が実際に羽形状に加工される場合には、この羽の両側面を覆うように一対の平板を固着する。そして、この平板をフォイルスラスト軸受１７に対して対峙させればよい。

第１実施形態ではフォイルスラスト軸受１７が翼部３の両側面に対峙するように一対配設された例を示したが、翼部３の片側面のみに配設されるようにしてもよい。図４にこの場合の例を示す。図４において、ハウジング５３には外気が流入される流入通路５５が設けられている。そして、この流入通路５５の奥にはポンプ室５７が配設されている。

ポンプ室５７の周囲には加圧された空気が吐出される吐出室６１が設けられている。ポンプ室５７の内部には遠心ポンプ用羽根車５９が収納されており、その右端中央にはシャフト５１が固着されている。このシャフト５１はハウジング５３にポンプ室５７と連通するように開けられた貫通穴６３に挿入されている。遠心ポンプ用羽根車５９の右端面と対峙するようにポンプ室５７の内側壁面にはフォイルスラスト軸受１７が固着されている。

かかる構成において、遠心ポンプ用羽根車５９の回転により遠心ポンプ用羽根車５９の右端面とフォイルスラスト軸受１７間にはポンピング作用により空気圧が生じており、遠心ポンプ用羽根車５９で加圧された空気が吐出室６１から貫通穴６３側に漏れることはなくなる。このため、吐出圧を安定に維持できる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本発明の第２実施形態は、フォイルジャーナル軸受についてである。図５にこのフォイルジャーナル軸受の断面図及びこのフォイルジャーナル軸受をシャフト１側から見た展開図を示す。なお、図１〜図３と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

シャフト１は、ハウジング９の内側に形成されたシャフト貫通路１０内に配設されたフォイルジャーナル軸受７５により支持されている。このフォイルジャーナル軸受７５は、シャフト貫通路１０内壁に対し周状に固着された複数の粘弾性体７７と、その粘弾性体７７の表面に張り付けられたフォイル７９とで構成されている。隣り合う粘弾性体７７とフォイル７９とで空洞８１が形成されている。そして、この空洞８１は、軸方向に開口されている。なお、粘弾性体７７、フォイル７９の材質は第１実施形態と同じである。

かかる構成において、シャフト１が図示しないエアタービンで回転されると、遠心力及び空気の粘性により粘性ポンプとして機能し、フォイル７９は空気により押圧され、空洞８１の上面では剛性が低いため表面がＵ字状にたわむ。一方、粘弾性体７７の上面は剛性が高いため表面はたわまない。

このため、フォイル７９とシャフト１間の間隙の距離は周状に凹凸を有するように変動し、この間隙の距離が大きい箇所（Ｕ字状にたわんだ底部）から粘弾性体７７の上面にかけての間隙の距離が狭くなるところの傾斜部では空気がシャフト貫通路１０から吸入されポンピングされることで一定の圧力が生ずる。ここで生じた圧力は、シャフト１を安定に保持する。このフォイルジャーナル軸受７５は、構造が簡単であり、かつ製作が容易である。このため安価である。

次に、本実施形態の別例について説明する。図６にこのフォイルジャーナル軸受の断面図及びこのフォイルジャーナル軸受をシャフト１側から見た展開図を示す。図６において、フォイルジャーナル軸受９５を構成する粘弾性体８７は、肉部が「Ｙ」の字状の連結として残されるように両側には切欠８９ａ、８９ｂが刻設されている。そして、この粘弾性体８７の表面にはフォイル９１が張り付けられている。

かかる構成において、シャフト１が図示しないエアタービンで回転されると、遠心力及び空気の粘性により粘性ポンプとして機能し、フォイル９１は空気により押圧され、切欠８９ａ、８９ｂの上面では剛性が低いため表面がＵ字状にたわむ。一方、粘弾性体８７の上面は剛性が高いため表面はたわまない。

このため、フォイル９１とシャフト１間の間隙の距離は切欠８９ａ、８９ｂを通る周状に凹凸を有するように変動し、この間隙の距離が大きい箇所（Ｕ字状にたわんだ底部）から粘弾性体８７の上面にかけての傾斜部では空気がシャフト貫通路１０から吸入されポンピングされることで一定の圧力が生ずる。この圧力は粘弾性体８７の両側で生ずる。そして、ここで生じた圧力は、シャフト１を粘弾性体８７を挟んだ両側から安定に保持する。このフォイルジャーナル軸受９５は、構造が簡単であり、かつ製作が容易である。このため安価である。

本発明の第１実施形態である小型送風機の側面概略構成図 図１中のＡ−Ａ矢視線断面図 フォイルスラスト軸受の平面図 フォイルスラスト軸受が翼部の片側面のみに配設された例 本発明の第２実施形態であるフォイルジャーナル軸受の断面図及びこのフォイルジャーナル軸受をシャフト側から見た展開図 本実施形態の別例であるフォイルジャーナル軸受の断面図及びこのフォイルジャーナル軸受をシャフト側から見た展開図

符号の説明

１、５１ シャフト
３ 翼部
５、５５ 流入通路
７、６３ 貫通孔
９、５３ ハウジング
１０ シャフト貫通路
１１、６１ 吐出室
１７ フォイルスラスト軸受
１８、７９、９１ フォイル
１９ 溝
２０、７７、８７ 粘弾性体
２１ 突設部
５７ ポンプ室
５９ 遠心ポンプ用羽根車
７５、９５ フォイルジャーナル軸受
８１ 空洞
８９ａ 切欠

Claims (5)

1. ハウジングと、
   該ハウジング内部で回転するシャフトと、
   該シャフトに配設された翼部と、
   該翼部と対峙され前記ハウジング内に取り付けられたフォイルスラスト軸受とを備え、
   該フォイルスラスト軸受は、粘弾性体と、
   該粘弾性体の表面に均等に刻設された溝を有し、該溝の上面にはフォイルが張られたことを特徴とするフォイル軸受。
2. 前記溝はスパイラル状に、かつ外周部に行くに連れて拡開するように形成されたことを特徴とする請求項１記載のフォイル軸受。
3. 前記シャフト及び前記翼部には外気と連通する貫通穴が配設されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のフォイル軸受。
4. ハウジングと、
   該ハウジング内部で回転するシャフトと、
   該シャフトに配設された翼部と、
   前記シャフトと対峙され前記ハウジング内に取り付けられたフォイルジャーナル軸受とを備え、
   該フォイルジャーナル軸受は、前記シャフト周りに粘弾性体と溝若しくは空洞とが交互に、かつ均等に配置され、該溝若しくは空洞の上面にはフォイルが張られたことを特徴とするフォイル軸受。
5. 前記溝若しくは空洞は、前記シャフトの軸方向に対称に配設されたことを特徴とする請求項４記載のフォイル軸受。

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