JP2010190351A - 静圧気体軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジアル軸受面への供給圧力を高めることができ、排気性能を向上できる静圧気体軸受装置を提供する。
【解決手段】静圧気体軸受装置１０は、ラジアル軸受面１３Ａ、１３Ｂとスラスト軸受面１３Ｃとラジアル軸受用給気孔１４Ａ、１４Ｂとスラスト軸受用給気孔１４Ｃと中間排気孔１５Ｂとを有する軸受ブロック１１と、軸受隙間に加圧気体を供給する気体供給装置２３と、中間排気孔１５Ｂから気体を吸引する排気装置２４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、気体膜圧力で回転軸を支持する静圧気体軸受装置に関し、特に回転軸に対する押上げを防止しつつラジアル軸受面への供給圧力を高めることができ、排気性能も向上できる静圧気体軸受装置に関する。

従来、回転軸を有するロータの回転アンバランスを測定するため、ロータを軸受で支持して高速回転させ、その振動からロータ上のアンバランス量とその方位を算出する釣合い試験装置が用いられる。回転軸とインペラが結合した形態のロータの場合、ロータを上下に抜き差しすることよって簡単にロータの設置・取り外しができるようになった縦型釣合い試験装置が用いられることがある。

このような釣合い試験装置において、ロータを支持する軸受として、気体圧力膜によって軸受剛性を得る静圧気体軸受が好適に用いられる。静圧気体軸受は、空転トルクが少なくかつ低振動で回転するため計測精度が高く、また、潤滑流体が気体であるため計測完了後のロータに付着物がなく、後処理が容易であるからである。

図１は、従来の静圧気体軸受３０の構造を示す図である。ただし、図１では簡略のため、静圧気体軸受３０については、軸心より左側の部分のみを示している。
図１において、回転軸４０Ａが軸心を上下に向けて支持されている。回転軸４０Ａはラジアルジャーナル４１とスラストジャーナル４２を有する。例えば車両用過給機のロータの場合、図１に示すように、ラジアルジャーナル４１とスラストジャーナル４２が近接している。
静圧気体軸受３０は中空円筒型の軸受ブロック３１を有し、その中心穴に回転軸４０Ａが挿入されている。

軸受ブロック３１は、回転軸４０Ａのラジアルジャーナル４１に対向する第１ラジアル軸受面３２及び第２ラジアル軸受面３３と、回転軸４０Ａのスラストジャーナル４２に対向するスラスト軸受面３４とを有する。
軸受ブロック３１は、さらに、第１ラジアル軸受面３２に開口する第１給気孔３５と、第２ラジアル軸受面３３に開口する第２給気孔３６と、スラスト軸受面３４に開口するスラスト軸受用給気孔３７と、第１給気孔３５と第２給気孔３６の間に形成された主排気孔３９と、第１給気孔３５とスラスト軸受用給気孔３７の間に形成された中間排気孔３８とを有する。

なお、静圧気体軸受の従来例を開示する先行技術文献としては、例えば下記特許文献１がある。また、縦型釣合い試験装置の従来例を開示する先行技術文献としては、例えば下記特許文献２がある。

特開２０００−２２４４号公報 特公平４−４０６５０号公報

図１に示した回転軸４０Ａの場合、ラジアルジャーナル４１とスラストジャーナル４２が近接しているため、第１給気孔３５への供給圧力が高すぎると、第１ラジアル軸受面３２から流れ出た空気がスラスト軸受面３４に流入し、回転軸４０Ａをスラスト方向に過剰に押し上げ、これによってバランス計測を実施する上で有害な振動が発生してしまう。このため、そのような有害な振動が発生しないように、第１ラジアル軸受面３２への供給圧力を制限する必要がある。

一方で、計測精度を上げるためには軸受剛性を上げることが有効であり、軸受剛性は軸受隙間における圧力に依存するため、軸受隙間への供給圧力を高めることがバランス計測性能の向上には有効である。しかし、上述したように、従来では第１ラジアル軸受面３２への供給圧力を制限する必要があるため、バランス計測性能に限界がある。

また近年、図２に示ように、回転軸の固有振動数が製品における運転回転数領域から外れるようにラジアルジャーナル４１の軸方向中央部４３を細くし、軸振動を低減させる工夫を施した回転軸４０Ｂがある。このような回転軸４０Ｂの場合、図２に示すように、ラジアルジャーナル４１の長さが短くなるため、第１供給孔３５の位置をスラスト軸受用供給孔３７に近づける必要がある。この結果、第１供給孔３５とスラスト軸受用供給孔３７の間に配置された中間排気孔３８の口径が制限されることになり、排気効率の低下によって軸受性能が低下する。また、中間排気孔３８の口径が制限されることで、ゴミや油脂が詰まりやすくなるため、軸受性能の経時劣化が促進される。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ラジアル軸受面への供給圧力を高めることができ、排気性能を向上できる静圧気体軸受装置を提供することを課題とする。

上記の問題を解決するため、本発明の静圧気体軸受装置は、以下の技術的手段を採用する。

本発明は、ラジアルジャーナルと該ラジアルジャーナルに隣接する位置に形成されたスラストジャーナルとを有する回転軸を、軸受隙間に形成される気体圧力膜で支持する静圧気体軸受装置であって、前記回転軸の前記ラジアルジャーナルと対向するラジアル軸受面と、前記スラストジャーナルと対向するスラスト軸受面と、前記ラジアル軸受面に開口するラジアル軸受用給気孔と、前記スラスト軸受面に開口するスラスト軸受用給気孔と、前記ラジアル軸受用給気孔と前記スラスト軸受用給気孔の間に形成され前記ラジアル軸受面に開口する中間排気孔とを有する軸受ブロックと、前記ラジアル軸受用給気孔及び前記スラスト軸受用給気孔に加圧気体を供給する気体供給装置と、前記中間排気孔から気体を吸引する排気装置とを備える、ことを特徴とする。

また、上記の静圧気体軸受装置において、前記回転軸は、前記スラストジャーナルに隣接する第１ラジアルジャーナルと、該第１ラジアルジャーナルから軸方向に離間した位置に形成された第２ラジアルジャーナルとを有し、前記軸受ブロックは、軸心を上下に向けて配置され、上面に前記スラスト軸受面が形成されており、前記ラジアル軸受面は、前記第１ラジアルジャーナルに対向する第１ラジアル軸受面と、前記第２ラジアルジャーナルに対向する第２ラジアル軸受面とを有し、前記ラジアル軸受用給気孔は、前記第１ラジアル軸受面に開口する第１給気孔と、前記第２ラジアル軸受面に開口する第２給気孔とを有し、前記中間排気孔は、前記第１給気孔と前記スラスト軸受用給気孔との間に形成されている。

本発明の構成によれば、ラジアル軸受面への供給圧力を高めても、排気装置により中間排気孔から気体を吸引するので、スラスト軸受面への気体の流入を制限できる。このため、回転軸のスラスト方向への押し上げを防止しつつ軸受隙間への供給圧力を高めて軸受剛性を高くし、これによりバランス計測性能を向上できる。
また、中間排気孔から気体を吸引することで、排気性能を改善できるので、軸受性能を向上できる。
さらに、中間排気孔に強制的な流れを作ることで、ゴミや油脂の堆積を抑制し、経時劣化を遅らせることができる。

従来の静圧気体軸受の構造を示す図である。 従来の別の静圧気体軸受の構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る静圧気体軸受装置とこれを備えた釣合い試験装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る静圧気体軸受装置における排気装置の第１構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る静圧気体軸受装置における排気装置の第２構成例を示す図である。 ジャーナルに作用する圧力分布を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図３は、本発明の実施形態に係る静圧気体軸受装置１０とこれを備えた釣合い試験装置６の概略構成を示す図である。

図３において、静圧気体軸受装置１０によって、回転軸２を有するロータ１が軸心を上下に向けて支持されている。ロータ１はアンバランス計測の対象となる回転体である。図示例のロータ１は、回転軸２の一端側に、回転軸２の直径よりも大きい大径回転部５を有しており、大径回転部５が上部に位置する格好で、静圧気体軸受装置１０に設置されている。過給機ロータを例にすると、タービン軸が回転軸２に相当し、タービンインペラが大径回転部５に相当する。

回転軸２は、軸受によってラジアル方向に支持される部位であるラジアルジャーナル（２ａ、２ｂ）と、ラジアルジャーナルに隣接する位置に形成され軸受によってスラスト方向に支持されるスラストジャーナル４とを有する。図示例の回転軸２は、部分的に細く形成された小径部３の両端に、小径部３よりも径が大きい第１ラジアルジャーナル２ａと第２ラジアルジャーナル２ｂを有する。すなわち、第１ラジアルジャーナル２ａと第２ラジアルジャーナル２ｂは、回転軸２において軸方向に離れた位置に形成されている。本実施形態では、スラストジャーナル４に隣接するほうが第１ラジアルジャーナル２ａ、遠いほうが第２ラジアルジャーナル２ｂであるとする。

静圧気体軸受装置１０は、マウント１７に固定されている。マウント１７は支持ばね部材１８を介してベース部１９に取り付けられている。また、釣合い試験装置６は、マウント１７の振動を計測するための振動センサ２０と、ロータ１の回転位置を計測するための回転センサ２１と、各センサからの検出データに基づいてロータ１のアンバランス量とその方位を算出する演算部２２とを備えている。

上記の振動センサ２０は、振動を計測するのに必要なデータを検出できるものであれば、特定の種類に限定されず、位置センサや速度センサや加速度センサなどを適用できる。
上記の回転センサ２１は、ロータ１の回転（位置・速度）を検出できるものであれば、特定の種類に限定されず、磁気式や光学式などを適用できる。

静圧気体軸受装置１０は、軸受ブロック１１と、気体供給装置２３と、排気装置２４とを備える。なお、図３では、図示の簡略のため、軸受ブロック１１について、軸心より左側の断面構造のみを示し、右半分については断面の輪郭のみを二点鎖線で示している。

軸受ブロック１１は、軸方向に貫通する中心穴１２が形成された中空円筒型の部品であり、その内面に回転軸２の外周面と対向するラジアル軸受面として、第１ラジアルジャーナル２ａに対向する第１ラジアル軸受面１３Ａと、第２ラジアルジャーナル２ｂに対向する第２ラジアル軸受面１３Ｂとを有する。
軸受ブロック１１は、さらに、スラストジャーナル４に対向するスラスト軸受面１３Ｃを有する。

軸受ブロック１１は、さらに、第１ラジアル軸受面１３Ａに開口する第１給気孔１４Ａと、第２ラジアル軸受面１３Ｂに開口する第２給気孔１４Ｂと、スラスト軸受面１３Ｃに開口するスラスト軸受用給気孔１４Ｃと、第１給気孔１４Ａと第２給気孔１４Ｂの間に形成された主排気孔１５Ａと、第１給気孔１４Ａとスラスト軸受用給気孔１４Ｃの間に形成された中間排気孔１５Ｂとを有する。軸受ブロック１１において、各孔１４Ａ〜１４Ｃ、１５Ａ、１５Ｂは、周方向に間隔をおいて複数設けられている。

図示例の軸受ブロック１１は、軸受ブロック１１の外周面形状に適合する中空円筒面を有する固定ブロック１６によって支持・固定されている。
固定ブロック１６は、軸受ブロック１１を内周面で支持し、気体供給装置２３からの加圧空気を第１給気孔１４Ａ、第２給気孔１４Ｂおよびスラスト軸受用給気孔１４Ｃに導くための各流路、ならびに、中間排気孔１５Ｂからの気体を排気装置２４への導くための流路を有している。

気体供給装置２３は、ラジアル軸受用給気孔１４Ａ、１４Ｂ及びスラスト軸受用給気孔１４Ｃに加圧気体（例えば圧縮空気）を供給する装置である図示例の気体供給装置２３は、第１給気孔１４Ａ、第２給気孔１４Ｂ、スラスト軸受用給気孔１４Ｃに対して、それぞれ独立した系統で加圧気体を供給するようになっている。

気体供給装置２３によって第１給気孔１４Ａ、第２給気孔１４Ｂおよびスラスト軸受用給気孔１４Ｃに加圧空気が導入されると、第１ラジアルジャーナル２ａと第１ラジアル軸受面１３Ａとの間、第２ラジアルジャーナル２ｂと第２ラジアル軸受面１３Ｂとの間、およびスラストジャーナル４とスラスト軸受面１３Ｃとの間に加圧空気が供給され、各隙間において気体圧力膜が形成され、これにより回転軸２が回転可能に支持される。

排気装置２４は、中間排気孔１５Ｂから気体を吸引する装置である。以下に、排気装置２４のいつくかの構成例を説明するが、排気装置２４の構成はそれらの構成例に限定されない。

図４は、排気装置２４の第１構成例を示す図である。図４に示す構成例の排気装置２４は、中間排気孔１５Ｂから気体を吸引する吸気ライン２５ａと、空気を圧縮する送気ポンプ２７と、送気ポンプ２７からの加圧空気を流す送気ライン２５ｂと、送気ライン２５ｂ上に設けられ吸気ラインの出口が接続されたエジェクタ２６と、送気ライン２５ｂの出口に接続された回収タンク２８とを備える。

図４に示した構成例において、送気ポンプ２７により送気ライン２５ｂに加圧空気を流すと、エジェクタ２６の作用によって吸気ライン２５ａが負圧となるので、中間排気孔１５Ｂから気体を吸引することができる。吸引された気体にはゴミや油脂やクーラントが混入しており、これは回収タンク２８において気体と分離され、回収される。ゴミや油脂やクーラントと分離した気体は、回収タンク２８から大気開放される。

図５は、排気装置２４の第２構成例を示す図である。図５に示す構成例の排気装置２４は、中間排気孔１５Ｂから気体を吸引する吸気ライン２５ａと、吸気ライン２５ａの出口に接続された回収タンク２８と、回収タンク２８内を負圧にする吸引ポンプ２９とを備える。

図５に示した構成例において、吸引ポンプ２９で回収タンク２８内を負圧にすると、回収タンク２８内に接続された吸気ライン２５ａを通して中間排気孔１５Ｂから気体が吸引される。吸引された気体に含まれるゴミや油脂やクーラントは、回収タンク２８で気体から分離される。ゴミや油脂やクーラントと分離した気体は、吸引ポンプ２９を経由して外部に放出される。

図６は、軸受隙間に加圧空気を供給したときの、ラジアルジャーナルとスラストジャーナルに作用する圧力の分布を模式的に示す図である。図６において、Ａ〜Ｃはラジアル方向の圧力線、Ｄはスラスト方向の圧力線である。

Ａで示す圧力線は、従来の空気軸受（中間排気孔１５Ｂからの吸引なし）において供給する加圧空気の圧力を高くし過ぎた場合である。Ａの圧力線の場合、スラストジャーナル４の位置まで圧力が立っており、第１ラジアル軸受面１３Ａに供給した加圧空気がスラスト軸受面１３Ｃに流入するため、回転軸２をスラスト方向に押し上げてしまう。

Ｂで示す圧力線は、上述した回転軸２の押し上げを防止するため、従来の空気軸受（中間排気孔１５Ｂからの吸引なし）において供給する加圧空気の圧力を下げた場合である。Ｂの圧力線の場合、スラストジャーナル４の位置では圧力がないため、ラジアル側からスラスト側への加圧空気の流入による回転軸２の押し上げを防止できるが、圧力が低いために軸受剛性を高くできず、バランス計測性能が制限される。

Ｃで示す圧力線は、本発明の静圧空気軸受装置１０により、中間排気孔１５Ｂから吸引をした場合の圧力線である。Ｃの圧力線の場合、供給する加圧空気の圧力を高くしつつ、中間排気孔１５Ｂから吸引することで、スラストジャーナル４の位置では圧力が立たないようにしている。このため、第１ラジアル軸受面１３Ａへの供給圧力を高めつつ、回転軸２の押し上げが防止される。

上記のように構成された静圧気体軸受装置１０によれば、以下の効果が得られる。
第１ラジアル軸受面１３Ａへ供給する加圧気体の圧力を高めても、排気装置２４により中間排気孔１５Ｂから気体を吸引するので、第１ラジアル軸受面１３Ａからスラスト軸受面１３Ｃへの気体の流入を制限できる。このため、回転軸２のスラスト方向への押し上げを防止しつつ軸受隙間への供給圧力を高めて軸受剛性を高くし、これによりバランス計測性能を向上できる。

また、中間排気孔１５Ｂから気体を吸引することで、排気性能を改善できるので、軸受性能を向上できる。
さらに、中間排気孔１５Ｂに強制的な流れを作ることで、ゴミや油脂の堆積を抑制し、経時劣化を遅らせることができる。

なお、図３の構成例では、気体供給装置２３は給気孔１４Ａ〜１４Ｃに対してそれぞれ独立した系統で加圧気体を供給するように構成されているが、第１供給孔１４Ａと第２給気孔１４Ｂに対する供給系統を統合した構成としてもよい。

図３の構成例では、回転軸２の軸心が上下を向く‘縦型’の釣合い試験装置に適用した静圧空気軸受装置を示したが、本発明はこれに限定されず、回転軸２の軸心が水平を向く‘横型’の釣合い試験装置にも適用可能である。

図３の構成例では、排気装置２４が気体を吸引する排気孔は、中間排気孔１５Ｂのみであったが、主排気孔１５Ａからも吸引する構成とし、主排気孔１５Ａにおける排気効率を高めてもよい。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ ロータ
２ 回転軸
２ａ 第１ラジアルジャーナル
２ｂ 第２ラジアルジャーナル
３ 小径部
４ スラストジャーナル
６ 釣合い試験装置
１０ 静圧気体軸受装置
１１ 軸受ブロック
１２ 中心穴
１３Ａ 第１ラジアル軸受面
１３Ｂ 第２ラジアル軸受面
１３Ｃ スラスト軸受面
１４Ａ 第１給気孔
１４Ｂ 第２給気孔
１４Ｃ スラスト軸受用給気孔
１５Ａ 主排気孔
１５Ｂ 中間排気孔
１６ 固定ブロック
１７ マウント
１８ 支持ばね部材
１９ ベース部
２０ 振動センサ
２１ 回転センサ
２２ 演算部
２３ 気体供給装置
２４ 排気装置
２５ａ 吸気ライン
２５ｂ 送気ライン
２６ エジェクタ
２７ 送気ポンプ
２８ 回収タンク
２９ 吸引ポンプ

Claims (2)

1. ラジアルジャーナルと該ラジアルジャーナルに隣接する位置に形成されたスラストジャーナルとを有する回転軸を、軸受隙間に形成される気体圧力膜で支持する静圧気体軸受装置であって、
   前記回転軸の前記ラジアルジャーナルと対向するラジアル軸受面と、前記スラストジャーナルと対向するスラスト軸受面と、前記ラジアル軸受面に開口するラジアル軸受用給気孔と、前記スラスト軸受面に開口するスラスト軸受用給気孔と、前記ラジアル軸受用給気孔と前記スラスト軸受用給気孔の間に形成され前記ラジアル軸受面に開口する中間排気孔とを有する軸受ブロックと、
   前記ラジアル軸受用給気孔及び前記スラスト軸受用給気孔に加圧気体を供給する気体供給装置と、
   前記中間排気孔から気体を吸引する排気装置とを備える、ことを特徴とする静圧気体軸受装置。
2. 前記回転軸は、前記スラストジャーナルに隣接する第１ラジアルジャーナルと、該第１ラジアルジャーナルから軸方向に離間した位置に形成された第２ラジアルジャーナルとを有し、
   前記軸受ブロックは、軸心を上下に向けて配置され、上面に前記スラスト軸受面が形成されており、
   前記ラジアル軸受面は、前記第１ラジアルジャーナルに対向する第１ラジアル軸受面と、前記第２ラジアルジャーナルに対向する第２ラジアル軸受面とを有し、
   前記ラジアル軸受用給気孔は、前記第１ラジアル軸受面に開口する第１給気孔と、前記第２ラジアル軸受面に開口する第２給気孔とを有し、
   前記中間排気孔は、前記第１給気孔と前記スラスト軸受用給気孔との間に形成されている、請求項１記載の静圧気体軸受装置。

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