JP2009014083A - 軸受装置およびこれを備えた遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で負荷容量を大きくして、フォイル軸受の摩耗を抑制することができる軸受装置、およびこれを備えた遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】軸受装置１は、フランジ部１１ａを備えたロータ１０と、ロータ１０とラジアル方向Ｒにおいて対向して配設されて、ロータ１０をラジアル方向Ｒに支持するフォイル軸受３０ａと、フランジ部１１ａとアキシアル方向Ａにおいて対向して配設されて、ロータ１０をアキシアル方向Ａに支持する磁気軸受４０ａとを備える。ロータ１０が回転することによって、ロータ１０とフォイル軸受３０ａの間に空間部Ｄが形成される。フランジ部１１ａには、ロータ１０が回転することによって空間部Ｄへ気体を圧送する送風部１４が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォイル軸受の摩耗を抑制するための軸受装置、およびこれを備えた遠心圧縮機に関する。

一般に、例えば、圧縮機、送風機等の回転機械において、回転体を回転可能に支持するために、軸受装置を用いることが知られている。軸受装置に用いられる軸受としては、転がり軸受やすべり軸受等を用いることが可能であるが、回転体と軸受との接触を抑制して寿命の長い軸受装置を得るとの観点から、一般に、非接触軸受（即ち、回転体を非接触支持する軸受）である磁気軸受やフォイル軸受が用いられている。

非接触軸受であるフォイル軸受を用いた軸受装置としては、ラジアル方向（即ち、回転体の回転軸に垂直な方向）において回転体を支持する軸受としてフォイル軸受を用いたものが知られている。このようなフォイル軸受は、ラジアル方向において回転体と対向して配設され、回転体が回転することによって、ラジアル方向において回転体とフォイル軸受とが対向する部分の隙間に動圧が発生する。そして、この動圧による気体潤滑作用によって、回転体がフォイル軸受から浮上して回転体とフォイル軸受の間に空間部が形成され、回転体はフォイル軸受と非接触の状態で回転する。

ここで、従来、フォイル軸受は、フォイル軸受内における回転体の回転によって発生する動圧のみにより回転体を支持しているため、回転体がフォイル軸受と非接触の状態を維持して回転するための負荷容量が小さい。従って、フォイル軸受を備えた軸受装置に負荷容量を超過する負荷が発生した場合は、フォイル軸受と回転体とが接触するため、回転体の回転によりフォイル軸受が摩耗する。その結果、負荷容量が小さいため、フォイル軸受と回転体とが接触して、フォイル軸受が摩耗しやすいという問題があった。

そこで、フォイル軸受の摩耗を抑制するために、回転体とフォイル軸受の間に形成された空間部に、圧縮空気を噴射することが知られている。より具体的には、例えば、フォイル軸受等に圧縮空気を噴射するための貫通孔を形成し、この貫通孔から回転体とフォイル軸受の間の空間部へ圧縮空気を噴射することにより、フォイル軸受内の内部圧力を増加させて、フォイル軸受の摩耗を抑制する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１９７６０６号公報

しかし、上記従来技術においては、圧縮空気を噴射するために、フォイル軸受等に貫通孔を形成したり、回転体やフォイル軸受とは別に圧縮気体を噴出する装置が必要となるため、フォイル軸受の摩耗を抑制するための構成が複雑になるという問題があった。

そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、回転体がフォイル軸受と非接触の状態を維持して回転するための負荷容量を大きくして、フォイル軸受の摩耗を抑制することができる軸受装置、およびこれを備えた遠心圧縮機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、フランジ部を備えた回転体と、回転体とラジアル方向において対向して配設されて、回転体をラジアル方向に支持するフォイル軸受と、フランジ部とアキシアル方向において対向して配設されて、回転体をアキシアル方向に支持する磁気軸受とを備え、回転体が回転することによって、回転体とフォイル軸受の間に空間部が形成される軸受装置であって、フランジ部には、回転体が回転することによって空間部へ気体を圧送する送風部が設けられていることを特徴とする。

同構成によれば、フランジ部には、回転体が回転することによって、回転体とフォイル軸受の間に形成される空間部へ、気体を圧送する送風部が設けられている。このため、送風部により圧送された気体によって、回転体とフォイル軸受がラジアル方向において対向する部分に静圧を加えて、フォイル軸受内の内部圧力を増加させることができる。従って、簡単な構成で、回転体がフォイル軸受と非接触の状態を維持して回転するための負荷容量を大きくして、フォイル軸受の摩耗を抑制することができ、その結果、フォイル軸受の寿命を向上させることができる。なお、ラジアル方向とは、回転体の回転軸に垂直な方向のことであり、アキシアル方向とは、回転体の回転軸に平行な方向のことである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の軸受装置であって、送風部は、スパイラル状の凹溝により形成されていることを特徴とする。
同構成によれば、送風部は、スパイラル状の凹溝により形成されているため、簡単な構成により送風部を形成することができる。従って、より簡単な構成で負荷容量を大きくして、フォイル軸受の摩耗を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の軸受装置であって、回転体は、フランジ部と一対になってフォイル軸受および磁気軸受をアキシアル方向において挟むように形成された大径部をさらに備え、大径部と磁気軸受の間には、空間部からフォイル軸受の外部へ気体が漏れないようにするためのシール部が設けられていることを特徴とする。

同構成によれば、上述の空間部からフォイル軸受の外部へ気体が漏れないようにするためのシール部が設けられているため、フォイル軸受内の内部圧力を保つことができる。従って、フォイル軸受内の内部圧力を効果的に増加させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の軸受装置であって、シール部は、回転体および磁気軸受の少なくとも一方に形成された環状の溝により形成されていることを特徴とする。

同構成によれば、シール部は、回転体および磁気軸受の少なくとも一方に形成された環状の溝により形成されているため、簡単な構成によりシール部を形成することができる。従って、フォイル軸受内の内部圧力を簡単な構成で効果的に増加させることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の軸受装置を備えることを特徴とする。
同構成によれば、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の軸受装置を備えているため、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の軸受装置と同じ効果を得ることができる。

本発明によれば、簡単な構成で、回転体がフォイル軸受と非接触の状態を維持して回転するための負荷容量を大きくして、フォイル軸受の摩耗を抑制することができ、フォイル軸受の寿命を向上させることができる。

以下、本発明に係る軸受装置の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る軸受装置を備えた遠心圧縮機を示す断面図であり、図２（ａ）〜（ｂ）は、それぞれ、図１のＳ−Ｓ断面図とＴ−Ｔ断面図である。軸受装置１は、図１に示すように、回転体としてのロータ１０と、ロータ１０を回転させるための回転磁界を発生させるステータ２０と、ロータ１０を回転可能に支持するフォイル軸受３０ａ，３０ｂおよび磁気軸受４０ａ，４０ｂを備えている。また、上述のロータ１０とステータ２０により電動モータが構成されている。さらに、軸受装置１は、アキシアル方向（ロータ１０の回転軸に平行な方向であって、図中の矢印Ａの方向）におけるロータ１０の位置を検出するための変位センサ５０を備えている。

ロータ１０は、図１に示すように、円盤状に形成された一対のフランジ部１１ａ，１１ｂと、アキシアル方向Ａにおける端部に形成されたインペラ１２と、ラジアル方向（ロ―タ１０の回転軸に垂直な方向であって、図中の矢印Ｒの方向）においてステータ２０と対向する位置に形成された大径部１３とを備えている。一対のフランジ部１１ａ，１１ｂは、大径部１３をアキシアル方向Ａにおいて挟むように配設されている。また、本実施形態においては、フランジ部１１ａ，１１ｂの全体が磁性体により形成されている。なお、フランジ部１１ａ，１１ｂは、その一部が磁性体により形成されているものを使用しても良く、例えば、フランジ部１１ａの少なくとも磁気軸受４０ａと対向する部分が磁性体により形成されているものや、同様に、フランジ部１１ｂの少なくとも磁気軸受４０ｂと対向する部分が磁性体により形成されているものが使用できる。また、大径部１３は、フランジ部１１ａと一対になってフォイル軸受３０ａおよび磁気軸受４０ａをアキシアル方向Ａにおいて挟むように形成されるとともに、フランジ部１１ｂと一対になってフォイル軸受３０ｂおよび磁気軸受４０ｂをアキシアル方向Ａにおいて挟むように形成されている。この大径部１３の、ステータ２０と対向する部分には、ロータ１０が回転する方向に沿って交互に磁極が着磁された永久磁石（不図示）が埋め込まれている。

さらに、ロータ１０のフランジ部１１ａには、図１および図２（ａ）に示すように、ロータ１０が回転することによってロータ１０とフォイル軸受３０ａの間に形成される空間部Ｄへ、ロータ１０が回転することによって気体を圧送する送風部１４が設けられている。そして、本実施形態においては、送風部１４として、フランジ部１１ａの、アキシアル方向Ａにおいてフォイル軸受３０ａおよび磁気軸受４０ａと対向する部分に形成された、スパイラル状の凹溝１５を設ける構成としている。また、このスパイラル状の凹溝１５は、図２（ａ）に示すように、ロータ１０の中心Ｏ側から送風部１４の外周１４ａ側へ（即ち、図中の矢印Ｔの方向へ）向けて、凹溝１５の円周方向（図中の矢印Ｓの方向）における幅が漸増するように形成されており、さらに、凹溝１５は円周方向Ｓにおいて湾曲するように形成されている。

また、ロータ１０の大径部１３には、図１および図２（ｂ）に示すように、環状の溝１６が形成されている。より具体的には、大径部１３の、フォイル軸受３０ａおよび磁気軸受４０ａと対向する部分には、環状の溝１６が同心円上に複数形成されており、これらの溝１６は、空間部Ｄからフォイル軸受３０ａの外部８０へ気体が漏れないようにするためのシール部を形成している。

ステータ２０は、図１に示すように、ステータコア２１と、ステータコア２１に巻かれた導線からなるコイル２２から構成されている。このコイル２２に電流を流すことで回転磁界が発生するため、永久磁石が埋め込まれた大径部１３が回転する。従って、ロータ１０の大径部１３の回転に伴って、ロータ１０に形成されたインペラ１２が回転するため、インペラ１２によって、気体（空気）が遠心方向（即ち、アキシアル方向Ａに対して垂直な方向）へ送風される。

フォイル軸受３０ａ，３０ｂは、図１に示すように、ステータ２０をアキシアル方向Ａにおいて挟むように配置されるとともに、それぞれロータ１０とラジアル方向Ｒにおいて対向して配設されて、ロータ１０をラジアル方向Ｒに支持する。フォイル軸受３０ａ，３０ｂは、それぞれ、波形状に形成された環状のバンプフォイル３１ａ，３１ｂと、バンプフォイル３１ａ，３１ｂ内に形成されたスリーブ状のトップフォイル３２ａ，３２ｂから構成されている。

磁気軸受４０ａ，４０ｂは、ステータ２０をアキシアル方向Ａにおいて挟むように配置されるとともに、それぞれフランジ部１１ａ，１１ｂとアキシアル方向Ａにおいて対向して配設されて、ロータ１０をラジアル方向Ｒに支持する。磁気軸受４０ａ，４０ｂは、それぞれ、環状の凹溝４３ａ，４３ｂが形成された環状のヨーク部材４１ａ，４１ｂと、凹溝４３ａ，４３ｂに収容された電磁石４２ａ，４２ｂから構成されている。このように構成された磁気軸受４０ａ，４０ｂは、電磁石４２ａ，４２ｂに電流を供給することにより発生する磁気吸引力によって、磁性体により形成されたフランジ部１１ａ，１１ｂをアキシアル方向Ａにおいて吸引し、ロータ１０を非接触状態で支持する。また、アキシアル方向Ａにおいて軸受装置１を小型化するとの観点から、環状のヨーク部材４１ａ，４１ｂの内側（即ち、磁気軸受４０ａ，４０ｂ）には、それぞれフォイル軸受３０ａ，３０ｂが設けられており、ヨーク部材４１ａ，４１ｂはフォイル軸受３０ａ，３０ｂのハウジングとなっている。

変位センサ５０は、アキシアル方向Ａにおけるロータ１０の端部と対向する位置に配設され、アキシアル方向Ａにおけるロータ１０の位置を検出する。変位センサ５０によって検出されたロータ１０の位置に基づいて、制御部（不図示）が電磁石４２ａ，４２ｂに供給される電流を制御する。

また、遠心圧縮機は、図１に示すように、軸受装置１を保護するケーシング６０と、インペラ１２によって遠心方向へ送られた気体の流路を形成するボリュート７０とを備えている。ケーシング６０には、ロータ１０を除く軸受装置１の各部（即ち、ステータ２０、フォイル軸受３０ａ，３０ｂ、磁気軸受４０ａ，４０ｂ、および変位センサ５０）とボリュート７０が固定されている。インペラ１２によって送られた気体は、ボリュート７０により吐出口（不図示）へ圧送される。

次に、前述のように構成された遠心圧縮機の軸受装置１の動作態様について説明する。
ロータ１０が、所定の回転数以上で回転することにより、ラジアル方向においてロータ１０とフォイル軸受３０ａ，３０ｂとが対向する部分の隙間に動圧が発生する。そして、この動圧による気体潤滑作用によって、ロータ１０がフォイル軸受３０ａ，３０ｂから浮上してロータ１０とフォイル軸受３０ａ，３０ｂの間に空間部Ｄ，Ｅが形成され、図１に示すように、ロータ１０はフォイル軸受３０ａ，３０ｂと非接触の状態で回転する。

ここで、本実施形態においては、上述のごとく、ロータ１０のフランジ部１１ａに、ロータ１０が回転することによって空間部Ｄへ気体を圧送する送風部１４が設けられているため、ロータ１０が回転する際に、図３に示すような気体の流れが発生する。即ち、ロータ１０が、図３（ａ）に示す矢印Ｋの方向（以下、「回転方向Ｋ」という。）へ回転することによって、ロータ１０の中心Ｏ側から送風部１４の外周１４ａ側へ向けて回転方向Ｋへ湾曲したスパイラル状の凹溝１５に、気体が導かれる。気体は、ロータ１０の内径側、即ち、図３（ａ）および（ｂ）に示す矢印Ｇ１の方向へ圧縮されながら凹溝１５に流れ込み、矢印Ｇ１の方向へ流れた気体は、図３（ｂ）に示す矢印Ｇ２の方向へ流れる。このため、送風部１４により圧送された気体によって、ロータ１０が回転することによって発生するロータ１０とフォイル軸受３０ａとの間に形成された空間部Ｄに静圧が加えられて、フォイル軸受３０ａ内の内部圧力が増加する。

また、上述のごとく、大径部１３と磁気軸受４０ａとの間には、空間部Ｄからフォイル軸受３０ａの外部８０へ気体が漏れないようにするためのシール部が設けられているため、図３（ｂ）に示す矢印Ｇ３の方向へ気体が流れることを抑えて、フォイル軸受３０ａ内の内部圧力を保つことができる。本実施形態においては、シール部は、アキシアル方向Ａにおいてフォイル軸受３０ａおよび磁気軸受４０ａと大径部１３の間に形成された環状の溝１６により形成されているため、いわゆる、ラビリンス効果によって気体が漏れないように作用する。

上記実施形態の軸受装置１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）フランジ部１１ａには、ロータ１０が回転することによって空間部Ｄへ気体を圧送する送風部１４が設けられている。このため、ロータ１０とフォイル軸受３０ａとの間に形成された空間部Ｄに静圧を加えて、フォイル軸受３０ａ内の内部圧力を増加させることができる。従って、簡単な構成で、ロータ１０がフォイル軸受３０ａと非接触の状態を維持して回転するための負荷容量を大きくして、フォイル軸受３０ａの摩耗を抑制することができ、その結果、フォイル軸受３０ａの寿命を向上させることができる。

（２）送風部１４は、スパイラル状の凹溝１５により形成されているため、簡単な構成により送風部１４を形成することができる。従って、より簡単な構成で負荷容量を大きくして、フォイル軸受３０ａの摩耗を抑制することができる。

（３）大径部１３と磁気軸受４０ａの間には、空間部Ｄからフォイル軸受３０ａの外部８０へ気体が漏れないようにするためのシール部が設けられているため、フォイル軸受３０ａ内の内部圧力を保つことができる。従って、フォイル軸受３０ａ内の内部圧力を効果的に増加させることができる。

（４）シール部は、ロータ１０に形成された溝１６により形成されているため、簡単な構成によりシール部を形成することができる。従って、フォイル軸受３０ａ内の内部圧力を簡単な構成で効果的に増加させることができる。

また、上記実施形態において、ロータ１０の回転により気体を圧送する遠心圧縮機は、軸受装置１を備えているため、上記（１）乃至（４）に記載の効果と同じ効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の設計変更をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態においては、ロータ１０の大径部１３に環状の溝１６が形成されていたが、図４に示すように、磁気軸受４０ａの、大径部１３と対向する部分に環状の溝４４ａを形成してもよい。このようにしても、大径部１３と磁気軸受４０ａの間に、空間部Ｄからフォイル軸受３０ａの外部８０へ気体が漏れないようにするためのシール部を形成することができる。

・上記実施形態においては、シール部は大径部１３に形成された環状の溝１６により形成されていたが、大径部１３と対向する磁気軸受４０ａに対して摺動可能な環状の弾性部材（不図示）を、ロータ１０の大径部１３に固定して、この弾性部材によりシール部を形成するようにしてもよい。

・上記実施形態においては、送風部１４は、スパイラル状の凹溝１５により形成されていたが、フランジ部１１ａの、フォイル軸受３０ａと対向する図４に示す環状の部分Ｆに軸流ファン（不図示）を形成し、この軸流ファンにより送風部１４を形成するようにしてもよい。

・図４に示すように、フランジ部１１ｂにも、ロータ１０が回転することによってロータ１０とフォイル軸受３０ｂの間に形成される空間部Ｅへ気体を圧送する送風部１７を設けてもよい。また、大径部１３の、フォイル軸受３０ｂおよび磁気軸受４０ｂと対向する部分に、環状の溝１８を形成して、大径部１３と磁気軸受４０ｂの間に空間部Ｅからフォイル軸受３０ｂの外部へ気体が漏れないようにするためのシール部を設けてもよい。

本発明の実施形態に係る軸受装置を備えた遠心圧縮機を示す断面図。 （ａ）図１のＳ−Ｓ断面図、（ｂ）図１のＴ−Ｔ断面図。 （ａ）軸受装置の動作を説明するためのＳ−Ｓ断面図、（ｂ）軸受装置の動作を説明するための軸受装置の部分断面図。 本発明の別の例に係る軸受装置を備えた遠心圧縮機を示す断面図。

符号の説明

Ａ…アキシアル方向、Ｄ…空間部、Ｒ…ラジアル方向、１…軸受装置、１０…ロータ、１１ａ…フランジ部、１３…大径部、１４…送風部、１５…凹溝、１６…溝、２０…ステータ、３０ａ…フォイル軸受、４０ａ…磁気軸受、８０…外部。

Claims (5)

1. フランジ部を備えた回転体と、
   前記回転体とラジアル方向において対向して配設されて、前記回転体をラジアル方向に支持するフォイル軸受と、
   前記フランジ部とアキシアル方向において対向して配設されて、前記回転体をアキシアル方向に支持する磁気軸受とを備え、
   前記回転体が回転することによって、前記回転体と前記フォイル軸受の間に空間部が形成される軸受装置であって、
   前記フランジ部には、前記回転体が回転することによって前記空間部へ気体を圧送する送風部が設けられていることを特徴とする軸受装置。
2. 前記送風部は、スパイラル状の凹溝により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記回転体は、前記フランジ部と一対になって前記フォイル軸受および前記磁気軸受をアキシアル方向において挟むように形成された大径部をさらに備え、
   前記大径部と前記磁気軸受の間には、前記空間部から前記フォイル軸受の外部へ前記気体が漏れないようにするためのシール部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軸受装置。
4. 前記シール部は、前記回転体および前記磁気軸受の少なくとも一方に形成された環状の溝により形成されていることを特徴とする請求項３に記載の軸受装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の軸受装置を備えることを特徴とする遠心圧縮機。

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