JP2009287654A - 動圧気体フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い回転状態において最適な負荷能力を発揮することができる動圧気体フォイル軸受を提供する。
【解決手段】機械的なばね部材に代えて、軸受ハウジングの周りに配置されたノズルから噴出する高圧の気体の圧力によって与圧を与えるよう構成した。さらに、回転状態をフィードバックすることにより、回転状態に応じた供給圧力、流量を計算して前記ノズルを制御する制御手段を設けることによって、回転軸の回転状態に応じて、最適な負荷能力を発揮するようアクティブに軸受特性を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高速回転機器において、非接触で回転軸を保持する気体軸受、特に回転に伴って保持力を発生させる動圧気体フォイル軸受に関する。

ターボ分子ポンプやターボブロワ、航空機に搭載されるエアサイクルマシンといった高速回転部を有する機器において、動圧気体フォイル軸受が広く用いられている。

動圧気体フォイル軸受とは、回転軸と軸受の間に空気などの流体を介在させる軸受構造のこという。動圧気体フォイル軸受は、スラスト軸受、ラジアル軸受のいずれにも適用可能である。

図５にラジアル軸受を例にその構造及び動作を説明する。回転軸１の周りには柔軟な材料からなるアッパフォイル２が設けられ、その一端は軸受ハウジング３に固定されている。アッパフォイル２と軸受ハウジング３との間には、ばね部材７が設けられており、このばね部材７がアッパフォイル２を回転軸１へ押し当てている。この押し当てる力（以下「与圧」という）によって、停止時及び回転数が上昇するまでは図５(a)に示すように、アッパフォイル２は回転軸１に接触している。

回転軸１が回転を開始し、低速で回転しているときは、回転軸１はアッパフォイル２と接触しながら滑って回転する。一般にアッパフォイル２には、磨耗からの保護と摩擦低減のためにコーティングが施されている。

回転速度が上昇するに従い、回転軸１とアッパフォイル２の間には、くさび効果によって気体８が引き込まれ、回転速度に比例して引き込まれる気体８の量は増加する。気体８の量が増加することで、回転軸１とアッパフォイル２の間には高圧部分が発生し、その発生圧力が与圧に勝った時、気体膜が形成される。アッパフォイル２は気体膜によって図５（b）のように押し下げられるため、アッパフォイル２は回転軸１から離れる。

さらに回転速度が上昇すると、引き込まれる気体８の量が増加し、気体膜の圧力が上昇する。これにより、アッパフォイルはさらに軸受ハウジング側に押されて隙間が広がり、気体膜の圧力と与圧が均衡する隙間を維持して、回転軸１を非接触で保持する。

従来の動圧気体フォイル軸受の構成例を図６に示す。図６は、ばね部材をバンプフォイル６によって構成したものである。

動圧気体フォイル軸受において、アッパフォイルに与圧を与えるために、図６のように機械的なばね作用を用いたものとして下記特許文献がある。
米国特許第３６３５５３４号明細書 特開２００７−９２９９４号公報

従来の機械的なばね作用を用いた動圧気体フォイル軸受では、ばね部材の特性は設計時に決定される。このばね部材の特性によって軸受隙間の形成の特性が決まり、結果的に軸受の負荷能力の特性が決まることになる。通常、設計で意図した回転状態において最適な負荷能力が発揮されるよう、ばね部材の特性を決定している。従って、設計で意図した回転状態から外れた場合には、負荷能力が大きく低下してしまうという問題が存在する。

動圧気体フォイル軸受は、回転数が上昇するまではアッパフォイルは回転軸に接触して回転しているため、アッパフォイルと回転軸の摩擦によって発熱する。また、回転数が上昇してからは、非接触で回転軸が保持されるため、アッパフォイルと回転軸の摩擦による発熱はなくなるが、アッパフォイルと回転軸の間で圧縮された気体膜と回転軸との摩擦によって発熱する。
従来の動圧気体フォイル軸受においては、これらの発熱によって高温となった部分を冷却するために外部に設けた送風機によって冷却空気を送ったり、冷却水をポンプで循環させたりしていた。
本発明は、これらの問題を解決する動圧気体フォイル軸受を提供することを目的とする。

請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受は、アッパフォイルを回転軸またはスラストランナーへ押し付ける圧力を従来の機械的なばね部材で与えるのではなく、軸受ハウジングに設けた複数のノズルから供給される高圧気体によって与えることを特徴とする。

請求項２乃至５は、請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受において、回転軸の回転速度、回転軸の偏心量、アッパフォイルと軸受ハウジングとの隙間、アッパフォイルと回転軸との隙間、気体膜に発生する圧力等の状態量をモニタし、この状態量に応じてノズルへ供給する高圧気体の流量および圧力をフィードバック制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

請求項６は、請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受において、回転軸の回転速度に対して供給すべき高圧気体の流量及び圧力の関係をあらかじめデータとして保存した制御装置を備え、回転速度を基にノズルへ供給する高圧気体の流量および圧力を保存したデータから求めて制御することを特徴とする。

請求項７は、請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受において、複数のノズルから常温または冷却された高圧気体を供給することを特徴とする。

本発明が提供する動圧気体フォイル軸受は、上記のように構成されており、つぎの利点を有する。
（１）請求項１に記載の発明によれば、ノズルへ供給される高圧気体の流量および圧力を変化させることによって、軸受の負荷能力の特性を変化させることができるため、幅広い回転状態において最適な負荷能力を発揮することができる。
（２）請求項２乃至５に記載の発明によれば、回転軸の回転速度、偏心量等の状態量に応じて各ノズルへ供給する高圧気体の流量および圧力をフィードバック制御するため、幅広い回転状態において最適な負荷能力を発揮することができる。
（３）請求項６に記載の発明によれば、回転軸の回転速度に応じて、ノズルへ供給する高圧気体の流量および圧力をあらかじめ設定された設定値に制御するため、幅広い回転速度において最適な負荷能力を発揮することができる。
（４）請求項７に記載の発明によれば、与圧のための高圧気体によって軸受を冷却することができるので、別途、軸受を冷却するために外部から冷却気体を流す必要がない。

以下、本発明が提供する動圧気体フォイル軸受の実施例について説明する。

〔実施例１〕
図１は本実施例の動圧気体フォイル軸受の概略構成図である。回転軸１の周りにアッパフォイル２が設けられ、軸受ハウジング３には高圧気体４を導入するためのノズル５が設けられている。この高圧気体の供給源としては、コンプレッサを別途設けてもよいし、航空機のようにエンジンからの高圧な抽気が得られる場合には、それを利用してもよい。

ノズル５から導入された高圧気体４がアッパフォイル２を回転軸１へ押し当てる与圧として機能する。この高圧気体４による与圧によって、停止時及び回転数が上昇するまでは、アッパフォイル２は回転軸１に接触している。

回転軸１が回転を開始し、低速で回転しているときは、回転軸１はアッパフォイル２と接触しながら滑って回転する。アッパフォイル２には、磨耗からの保護と摩擦低減のためにコーティングが施されているが、これは従来技術と同様である。

回転速度が上昇すると、ばね部材によって与圧するものと同様に、回転軸１とアッパフォイル２の間には、くさび効果で引き込まれた気体８によって高圧部分が発生し、その発生圧力が与圧に勝った時、気体膜が形成され、アッパフォイル２は気体膜によって押し下げられるため、回転軸１はアッパフォイル２から離れて非接触で保持される。

〔実施例２〕
本発明の動圧気体フォイル軸受は、ノズル５から導入される高圧気体４の圧力、流量を回転状態に応じてフィードバック制御することで、広範な回転状態に対しても軸受が最適状態で機能するよう構成したことを特徴とする。

具体的な構成を図２に示す。図２は、図１におけるノズル５の周辺を拡大したものと、ノズル５へ供給する高圧気体４の供給流量Ｑ及び圧力Psを制御するフィードバックコントローラ９を図示している。
回転状態を示す状態量としては、回転速度ω、偏心量δ、軸受ハウジング−アッパフォイル間の隙間hs、回転軸−アッパフォイル間の隙間h、発生圧力pが考えられる。

何らかの要因で急に回転軸の回転速度ωが低下した場合を想定すると、くさび効果で引き込まれる気体８の量が低下するため、回転軸１とアッパフォイル２の間の圧力が低下する。従来のばね部材による与圧では、与圧の強さを調整することができないので、回転速度ωの低下が大きい場合には、与圧が強すぎる結果、回転軸１とアッパフォイル２が接触することがあった。

しかし、本発明においては、回転軸１の回転速度ωをモニタしており、ωが低下した場合には、フィードバックコントローラ９がノズル５から供給するガスの供給流量Ｑ及び圧力Ｐｓを下げるよう制御し、与圧の強さを回転軸１とアッパフォイル２の間の圧力に見合った強さに制御することから、回転軸１とアッパフォイル２が接触するのを低減する。

装置の起動時および停止時のような低速回転時には，回転軸１とアッパフォイル２は摺動する接触状態にあり，一般にはそれによる磨耗保護と摩擦低減のためにアッパフォイル２にコーティングが施される。動圧気体フォイル軸受の寿命は，このコーティング被膜の消耗により決定する。従って，起動時と停止時の摺動時間を短くすることで動圧気体フォイル軸受の長寿命化が期待できるが，従来のばね部材による与圧では、与圧の強さを調整することができないので、アッパフォイル２が押し下げられ気体膜が形成される条件が一義的に決まってしまい，実現できなかった。

しかし、本発明においては、回転軸１の回転速度ωをモニタしており、回転速度ωの増加あるいは減少に応じて，フィードバックコントローラ９がノズル５から供給するガスの供給流量Ｑ及び圧力Ｐｓを徐々に下げるよう制御し、与圧の強さを回転軸１とアッパフォイル２の間の圧力に見合った強さに制御することから、起動時では従来よりも低回転域からの気体膜の形成を促し，また停止時ではより低回転域まで気体膜を維持できるようになる。その結果、起動時と停止時の摺動時間が短くなり、動圧気体フォイル軸受の長寿命化が図られる。

なお、回転速度ωは回転軸１を駆動するモータへ指示を出す不図示のモータコントローラから得ても良いし、回転軸１にエンコーダを取り付けてモニタしても良い。

回転軸１の中心に対し、偏った負荷がかかった場合には、回転軸１は偏心することになるが、このような場合には、回転軸１の偏心量δをモニタし、フィードバックコントローラ９が偏心量δに応じて各ノズル５から供給するガスの供給流量Ｑ及び圧力Ｐｓを個別に制御することによって、回転軸１の偏心を抑えることができる。

回転軸１の偏心量δを取得する手段の実施例について図３に示す。（a）はアッパフォイル２とノズル５を持つ動圧気体フォイル軸受を回転軸１に垂直な方向から見た断面図であり、（ｂ）は軸方向から見た断面図である。光学式の測距センサS3を軸受ハウジング３の両端に複数取り付け、回転軸１との距離をそれぞれ測定することにより実現できる。

軸受ハウジング−アッパフォイル間の隙間hsをモニタし、フィードバックコントローラ９が隙間hsに応じてノズル５から供給するガスの供給流量Ｑ及び圧力Ｐｓを制御することによって、常に最適な与圧を保つことができる。

隙間hsは、例えば光学式の測距センサＳ１を軸受ハウジングへ備えることで取得することができる。

回転軸−アッパフォイル間の隙間hをモニタし、フィードバックコントローラ９が隙間hに応じてノズル５から供給するガスの供給流量Ｑ及び圧力Ｐｓを制御することによって、常に最適な与圧を保つことができる。

隙間hは、例えば光学式の測距センサＳ２を軸受ハウジングへ備えることで回転軸と軸受ハウジングの間隔hoを取得し、前記測距センサＳ１で取得したhsを差し引くことで得ることができる。

〔実施例３〕
他の形態としては、図４に示すように、回転軸１の回転速度ωのみフィードバックし、予め設定しておいた回転速度ωに応じたガスの供給流量Ｑ、供給圧力Psでノズル５から与圧を与える構成である。回転速度ωとガスの供給供給流量Ｑ、供給圧力Psとの関係はシミュレーションで求めてもよいし、実測で求めてもよい。

〔実施例４〕
動圧気体フォイル軸受は、回転数が上昇するまでは、アッパフォイルは回転軸に接触して回転しているため、アッパフォイルと回転軸の摩擦によって発熱する。また、回転数が上昇してからは、非接触で回転軸が保持されるため、アッパフォイルと回転軸の摩擦による発熱はなくなるが、アッパフォイルと回転軸の間で圧縮された気体膜と回転軸との摩擦によって発熱する。

従来の動圧気体フォイル軸受においては、これらの発熱によって高温となった部分を冷却するために外部に設けた送風機によって冷却空気を送ったり、冷却水をポンプで循環させたりしていた。

しかし、本発明においては、与圧のためのガス供給手段を有していることから、このガスを供給することによって、与圧すると同時に、軸受の冷却を行うことができる。このガスの温度は冷却効果を高めるために冷却手段を設けて温度を下げても良いし、常温で充分な冷却が可能な場合は常温のままでも良い。

以上、ラジアル軸受の場合を例に説明を行ったが、スラスト軸受においても本発明を適用することができるのは言うまでもない。スラスト軸受においては、上記ラジアル軸受において回転軸としていたものをスラストランナーと読み替えることによって、同様の作用効果を奏することが理解されよう。

本発明の動圧気体フォイル軸受を示した図である。 フィードバックコントローラを設け、状態量に応じて与圧を制御する動圧気体フォイル軸受の構成を説明するための図である。 回転軸の偏心量を取得する手段を説明するための図である。 フィードバックコントローラを設け、回転速度に応じて予め設定しておいた設定値に与圧を制御する動圧気体フォイル軸受の構成を説明するための図である。 動圧気体フォイル軸受の原理を説明するための図である。 従来の動圧気体フォイル軸受を示した図である。

符号の説明

１・・・回転軸、２・・・アッパフォイル、３・・・軸受ハウジング、４・・・高圧気体、５・・・ノズル、６・・・バンプフォイル、７・・・ばね部材、８・・・くさび効果によって引き込まれる気体、９・・・フィードバックコントローラ

Claims (7)

1. 高速回転時に回転軸またはスラストランナーとアッパフォイルとの間に形成される気体膜の圧力によって前記回転軸を非接触に保持する動圧気体フォイル軸受であって、
   前記アッパフォイルを前記回転軸または前記スラストランナーへ押し付ける圧力を軸受ハウジングに設けた複数のノズルから供給される高圧気体によって与えることを特徴とする動圧気体フォイル軸受。
2. 前記回転軸の回転状態を示す状態量をモニタし、
   前記状態量に応じてノズルへ供給する前記高圧気体の流量および圧力をフィードバック制御する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受。
3. 前記状態量は、前記回転軸の回転速度であることを特徴とする請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受。
4. 前記状態量は、前記回転軸の偏心量であることを特徴とする請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受。
5. 前記状態量は、前記回転軸の回転速度及び偏心量と、
   前記アッパフォイルと前記軸受ハウジングとの隙間と、
   前記アッパフォイルと前記回転軸との隙間と、
   前記気体膜に発生する圧力から構成される状態量であることを特徴とする請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受。
6. 前記回転軸の回転速度に対して供給すべき前記高圧気体の流量及び圧力の関係をあらかじめデータとして保存した制御装置を備え、前記回転速度を基に前記ノズルへ供給する前記高圧気体の流量および圧力を前記データから求めて制御することを特徴とする請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受。
7. 前記複数のノズルから常温または冷却された高圧気体を供給することを特徴とする請求項１に記載の動圧気体フォイル軸受。

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