JP2011208785A - 動圧型フォイル式気体軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、回転軸がトップフォイルの屈曲部位に接触して前記トップフォイルが摩耗することがなく、しかも剛性の低下を阻止して異常振動が惹起されることを可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】フォイル５７群は、ベアリングケース５６Ａの軸中心に向かって順次配置される波板形状のバンプフォイル５８、平板形状のミッドフォイル５９及び平板形状のトップフォイル６０を備える。トップフォイル６０は、ベアリングケース５６Ａの内周面５６ａに固定される第２固定面６０ａと第２回転軸押さえ面６０ｃとに連なる第２渡り面６０ｂが、軸中心側に膨出する湾曲部位により構成される。ミッドフォイル５９は、ベアリングケース５６Ａの内周面５６ａに固定される第１固定面５９ａと第１回転軸押さえ面５９ｃとに連なる第１渡り面５９ｂが、屈曲する直線部位により構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸が挿入される円筒部材と、前記円筒部材の内周面に設けられるフォイル群とを備え、前記回転軸をジャーナル方向に支持する動圧型フォイル式気体軸受に関する。

一般的に、圧縮空気を効率的に供給する過給機として、遠心型圧縮機が採用されている。例えば、エンジンに圧縮空気を供給する補機として、あるいは、燃料電池に酸化剤ガスである圧縮空気を供給する補機として、利用されている。

この種の遠心型圧縮機では、相当に高速で回転させることが望まれている。例えば、高速軸受として、特許文献１に開示されているフォイル式流体軸受が知られている。

このフォイル式流体軸受は、図８に示すように、ジャーナル１の外周を囲むように回転不能に固定された円筒状の静止保持部材２と、前記静止保持部材２の内周面及び前記ジャーナル１の外周面間に形成された環状の空隙に配置されるフォイルアセンブリ３とから構成されている。フォイルアセンブリ３は、半径方向内側に配置されたトップフォイル４と、その外側に配置されたミッドフォイル５と、その外側に配置された６個のバンプフォイル６とから構成されている。

トップフォイル４は、平坦なシートを概略円筒状に湾曲させたもので、その一端部が静止保持部材２の内周面の上部に、溶接部４ａにおいて固定されている。ミッドフォイル５は、平坦なシートを概略円筒状に湾曲させたもので、その一端部が静止保持部材２の内周面に、前記溶接部４ａの近傍の溶接部５ａにおいて固定されている。

トップフォイル４は、溶接部４ａにおいて固定された一端部から他端部に向けて時計方向に巻かれている。ミッドフォイル５は、溶接部５ａにおいて固定された一端部から他端部に向けて反時計方向に巻かれている。トップフォイル４の外周面及びミッドフォイル５の内周面は、摺動面７において摺動自在に接触している。

特開２００１−２９５８３６号公報

ところで、上記のフォイル式流体軸受では、トップフォイル４が、溶接部４ａから摺動面７に連なってクランク形状（屈曲形状）を有する一方、ミッドフォイル５が、溶接部５ａから摺動面７に連なってクランク形状（屈曲形状）を有している。このため、特に、ジャーナル１の回転時に発生する空気圧により、バンプフォイル６が静止保持部材２の内周面側に変形する際、トップフォイル４は、クランク形状部位を支点にして変形し、エッジ形状が発生し易い。従って、ジャーナル１の外周面がエッジ形状に摺接し、トップフォイル４に摩耗が惹起されるという問題がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、簡単な構成で、回転軸がトップフォイルの屈曲部位に接触して前記トップフォイルが摩耗することがなく、しかも剛性の低下を阻止して異常振動が惹起されることを可及的に抑制することが可能な動圧型フォイル式気体軸受を提供することを目的とする。

本発明は、回転軸が挿入される円筒部材と、前記円筒部材の内周面に設けられるフォイル群とを備え、前記回転軸をジャーナル方向に支持する動圧型フォイル式気体軸受に関するものである。

フォイル群は、円筒部材の軸中心に向かって順次配置される板状のバンプフォイル、板状のミッドフォイル及び板状のトップフォイルを備えるとともに、前記ミッドフォイルは、前記円筒部材の内周面に固定される第１固定面と、回転軸の回転方向に向かって延在し、一端が第１渡り面を介して前記第１固定面に連なり且つ他端が自由端であり、前記回転軸を周方向から拘束する第１回転軸押さえ面とを有している。

トップフォイルは、円筒部材の内周面に固定される第２固定面と、回転軸の回転方向とは逆方向に向かって延在し、一端が第２渡り面を介して前記第２固定面に連なり且つ他端が自由端であり、前記回転軸を周方向から拘束する第２回転軸押さえ面とを有している。

そして、第１渡り面は、屈曲する直線部位により構成される一方、第２渡り面は、軸中心側に膨出する湾曲部位により構成されている。

また、トップフォイルの自由端は、ミッドフォイルの第１渡り面を覆って第１固定面側に延在することが好ましい。

本発明では、トップフォイルは、円筒部材の内周面に固定される第２固定面と第２回転軸押さえ面とに連なる第２渡り面が、軸中心側に膨出する湾曲部位により構成されている。このため、回転軸の回転によりバンプフォイルが変形する際に、トップフォイルの第２渡り面が屈曲して前記回転軸の外周面に接触することがなく、前記トップフォイルの摩耗を可及的に阻止することができる。

しかも、ミッドフォイルは、円筒部材の内周面に固定される第１固定面と第１回転軸押さえ面とに連なる第１渡り面が、屈曲する直線部位により構成されている。従って、固定部位の剛性不足を防止することが可能になり、回転軸の高速回転時に異常振動が惹起されることがなく、高速安定性を良好に維持することができる。

本発明の実施形態に係る動圧型フォイル式気体軸受を組み込む遠心型圧縮機の断面説明図である。 前記遠心型圧縮機の要部断面説明図である。 前記遠心型圧縮機の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記遠心型圧縮機を構成するスラストエア軸受の斜視説明図である。 前記スラストエア軸受の図４中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。 比較例であるジャーナルエア軸受の断面説明図である。 前記比較例であるジャーナルエア軸受の動作説明図である。 特許文献１に開示されているフォイル式流体軸受の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る動圧型フォイル式気体軸受を組み込む遠心型圧縮機（過給機）１０は、ケーシング１２を備える。このケーシング１２内には、回転軸ユニット１４が回転自在に装着される。

回転軸ユニット１４は、図１及び図２に示すように、円環状の永久磁石１６と、前記永久磁石１６の外周に設けられ、該永久磁石１６を収納（例えば、焼き嵌め）する円筒状の保護環１８とにより構成されるロータ２０、前記ロータ２０の軸方向端部の両方（少なくとも一方）に設けられるベアリングシャフト２２、２４、前記ベアリングシャフト２２の前記ロータ２０側と反対の軸方向端部に設けられるインペラ２６とを備える。

インペラ２６は、遠心圧縮部２８を構成するとともに、テンションシャフト３０の大径部３０ａに端面が当接する。テンションシャフト３０には、インペラ２６側からベアリングシャフト２２、ロータ２０及びベアリングシャフト２４の順に配置され、これらが、前記テンションシャフト３０に螺合する固定部材３２により一体的に保持される。

固定部材３２には、回転軸ユニット１４の回転時に矢印Ａ１方向に発生するスラスト力を緩和する機能を有するキャンセラ機構３４が設けられる。図１に示すように、キャンセラ機構３４は、加圧室３６内を矢印Ａ方向に摺動自在なキャンセラディスク３８を備える。この加圧室３６には、通路４０を介してインペラ２６の回転により発生する空気が流入される。

ケーシング１２内には、ロータ２０の外周に位置して円環状のステータ４２が装着される。このステータ４２及びロータ２０によりモータ部４６が構成される。

ロータ２０を構成する保護環１８は、高剛性が要求されており、ニッケル系超合金、例えば、インコネル（スペシャルメタル社の商品名）により構成される。ステータ４２の外周側には、複数の冷却水流路４８が周回形成される。

図２に示すように、保護環１８は、ベアリングシャフト２２、２４が設けられる端面に、永久磁石１６の端面１６ａ、１６ｂよりも軸方向外方に突出する円筒状突起部１８ａ、１８ｂを設ける。

ベアリングシャフト２２は、軸方向一端に開放される円筒形状部２２ａを有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部２２ｂを形成する。ベアリングシャフト２４は、同様に軸方向一端に開放される円筒形状部２４ａを有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部２４ｂを形成する。

ベアリングシャフト２２の底部２２ｂは、保護環１８の一方の円筒状突起部１８ａに接触し、ベアリングシャフト２４の底部２４ｂは、前記保護環１８の他方の円筒状突起部１８ｂに接触する。底部２２ｂ、２４ｂと永久磁石１６の端面１６ａ、１６ｂとは、それぞれ距離Ｓ１、Ｓ２だけ離間する。

ベアリングシャフト２２、２４の外周面に対向し、前記ベアリングシャフト２２、２４を保持するフォイル式気体軸受（動圧型フォイル式気体軸受）５０が設けられる。フォイル式気体軸受５０は、ベアリングシャフト２２、２４の径方向の位置を保持する本実施形態に係るジャーナルエア軸受５２ａ、５２ｂと、前記ベアリングシャフト２２の軸方向の位置を保持するスラストエア軸受５４とを備える。

ベアリングシャフト２２、２４は、ジャーナルエア軸受５２ａ、５２ｂによりジャーナル方向に支持される回転軸を構成するとともに、例えば、保護環１８と同一材料であるニッケル系超合金により構成される。ジャーナルエア軸受５２ａ、５２ｂは、停止時のベアリングシャフト２２、２４を拘束する一方、回転時の前記ベアリングシャフト２２、２４との間に空気層を形成する。

各ジャーナルエア軸受５２ａ、５２ｂは、ベアリングシャフト２２、２４の外周に所定の隙間を設けて配置される円環状のベアリングケース（円筒部材）５６Ａ、５６Ｂと、前記ベアリングケース５６Ａ、５６Ｂの内周面５６ａ、５６ｂに設けられるフォイル群５７とを備える。ベアリングケース５６Ａ、５６Ｂは、ベアリングシャフト２２、２４を回転自在に支持するとともに、回転不能に固定される。

図３に示すように、フォイル５７群は、ベアリングケース５６Ａの軸中心に向かって順次配置されるそれぞれ金属製弾性部材である波板形状のバンプフォイル５８、平板形状のミッドフォイル５９及び平板形状のトップフォイル６０を備える。バンプフォイル５８は、一枚又は複数枚で構成され、その一端５８ａがベアリングケース５６Ａの内周面５６ａに溶接等により固定されるとともに、その他端が自由端を構成する。

ミッドフォイル５９は、ベアリングケース５６Ａの内周面５６ａに溶接等により固定される第１固定面５９ａと、前記ベアリングケース５６Ａの回転方向（矢印Ｃ方向）に向かって延在し、一端が第１渡り面５９ｂを介して前記第１固定面５９ａに連なり且つ他端が自由端であり、ベアリングシャフト２２を周方向から拘束する第１回転軸押さえ面５９ｃとを有する。

トップフォイル６０は、ベアリングケース５６Ａの内周面５６ａに溶接等により固定される第２固定面６０ａと、前記ベアリングケース５６Ａの回転方向（矢印Ｃ方向）とは逆方向（矢印Ｄ方向）に向かって延在し、一端が第２渡り面６０ｂを介して前記第２固定面６０ａに連なり且つ他端が自由端であり、ベアリングシャフト２２を周方向から拘束する第２回転軸押さえ面６０ｃとを有する。第２固定面６０ａは、第１固定面５９ａに隣接する位置に設けられる。

第１渡り面５９ｂは、屈曲する直線部位により構成される一方、第２渡り面６０ｂは、ベアリングケース５６Ａの軸中心側に膨出する湾曲部位により構成される。トップフォイル６０の自由端は、ミッドフォイル５９の第１渡り面５９ｂを覆って第１固定面５９ａ側（矢印Ｄ方向）に延在する。なお、ベアリングケース５６Ｂは、上記のベアリングケース５６Ａと同様に構成される。

図１及び図２に示すように、ベアリングシャフト２２の外周部には、スラストエア軸受５４を構成する大径フランジ部６２が設けられる。大径フランジ部６２を挟んで軸方向両側には、リング部材６４ａ、６４ｂが配置される。

図４に示すように、リング部材６４ａ、６４ｂには、互いに大径フランジ部６２に対向する面に、波板形状のバンプフォイル６６と平板形状のトップフォイル６８とが設けられる。バンプフォイル６６及びトップフォイル６８は、リング部材６４ａ、６４ｂの内周面を周回して、それぞれ円環状に複数配置される。

図５に示すように、各バンプフォイル６６は、一端６６ａがリング部材６４ａ、６４ｂに溶接されるとともに、他端６６ｂが自由端を構成する。各トップフォイル６８は、一端６８ａがリング部材６４ａ、６４ｂに溶接される一方、他端６８ｂが自由端となっている。

図２に示すように、インペラ２６の軸方向端部２６ａは、ベアリングシャフト２２の円筒形状部２２ａに同軸的に嵌合する（インロー構造）。ベアリングシャフト２２、２４は、それぞれの底部２２ｂ、２４ｂが保護環１８の円筒状突起部１８ａ、１８ｂに同軸的に嵌合する（インロー構造）。

ケーシング１２内には、図１に示すように、モータ部４６を構成する保護環１８とステータ４２との間に、冷媒用流通路７０が形成される。この流通路７０の入口側及びキャンセラ機構３４の通路４０は、遠心圧縮部２８のコンプレッサ出口７２に連通している。インペラ２６が回転することにより圧縮された空気は、コンプレッサ出口７２から流通路７０の入口側及びキャンセラ機構３４の通路４０に送風される。

このように構成される遠心型圧縮機１０の動作について、以下に説明する。

先ず、電動機を構成するステータ４２に通電することにより、ロータ２０を構成する永久磁石１６及び保護環１８は、テンションシャフト３０と一体に回転する。このため、テンションシャフト３０に保持されているインペラ２６は、比較的高速で回転し、遠心圧縮部２８を介して大気から空気の吸引が行われる。

インペラ２６により吸引された空気は、遠心圧縮部２８により圧送され、例えば、図示しない燃料電池の酸化剤ガス供給系に送られる。燃料電池には、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス（水素ガス）が供給される。従って、カソード側に供給される空気とアノード側に供給される水素との反応により、発電が行われる。

遠心圧縮部２８により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口７２からケーシング１２内の流通路７０に供給される。この流通路７０を通過してモータ部４６を冷却した冷却風は、外部に排出される。

また、遠心圧縮部２８により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口７２からキャンセラ機構３４を構成する通路４０を通って加圧室３６に供給される。従って、加圧室３６に配設されるキャンセラディスク３８には、インペラ２６から離間する方向（矢印Ａ２方向）に押圧力が付与される。これにより、インペラ２６の回転によって、矢印Ａ１方向に作用するスラスト力は、キャンセラ機構３４により緩和される。

この場合、本実施形態では、図３に示すように、フォイル５７群が、ベアリングケース５６Ａの軸中心に向かって順次配置される波板形状のバンプフォイル５８、平板形状のミッドフォイル５９及び平板形状のトップフォイル６０を備えている。

そして、トップフォイル６０は、ベアリングケース５６Ａの内周面５６ａに固定される第２固定面６０ａと第２回転軸押さえ面６０ｃとに連なる第２渡り面６０ｂが、軸中心側に膨出する湾曲部位により構成されている。このため、バンプフォイル５８の変形時に、トップフォイル６０の第２渡り面６０ｂが屈曲して、ベアリングシャフト２２の外周面に接触することがない。これにより、簡単な構成で、トップフォイル６０の摩耗を可及的に阻止することができるという効果が得られる。

すなわち、図６に示すように、内周面５６ａに固定される固定面ＷＳに連なる屈曲面ＣＳを有するトップフォイルＴＦでは、回転軸が回転する際に空気の入り込により空気圧ｆが作用すると、図７に示すように、前記屈曲面ＣＳの角部ＣＳＣを支点にして変形し易い。従って、屈曲面ＣＳの角部ＣＳＣが軸中心側に突出し、回転軸と接触して摩耗してしまう。

これに対して、本実施形態では、トップフォイル６０の第２渡り面６０ｂが、軸中心側に膨出する湾曲形状により構成されており、ベアリングシャフト２２の回転による空気圧が作用すると、前記トップフォイル６０は、図３に示すように、第２固定面６０ａと前記第２渡り面６０ｂとの境界部位６０ａｂを支点にして変形し易い。これにより、トップフォイル６０の一部が軸中心側に突出することがなく、前記トップフォイル６０の摩耗を可及的に阻止することが可能になる。

しかも、ミッドフォイル５９は、ベアリングケース５６Ａの内周面５６ａに固定される第１固定面５９ａと第１回転軸押さえ面５９ｃとに連なる第１渡り面５９ｂが、屈曲する直線部位により構成されている。従って、固定部位の剛性不足を防止することが可能になり、ベアリングシャフト２２の高速回転時に異常振動が惹起されることがなく、高速安定性を良好に維持することができる。

さらに、トップフォイル６０の自由端は、ミッドフォイル５９の第１渡り面５９ｂを覆って矢印Ｄ方向に延在している。このため、ミッドフォイル５９の第１渡り面５９ｂは、ベアリングシャフト２２の外周面に摺接することがなく、前記第１渡り面５９ｂの摩耗を確実に防止することが可能になる。

１０…遠心型圧縮機 １２…ケーシング
１４…回転軸ユニット １６…永久磁石
１８…保護環 ２０…ロータ
２２、２４…ベアリングシャフト ２６…インペラ
３０…テンションシャフト ３２…固定部材
３４…キャンセラ機構 ３６…加圧室
３８…キャンセラディスク ４０…通路
４２…ステータ ４６…モータ部
５０…フォイル式気体軸受 ５２ａ、５２ｂ…ジャーナルエア軸受
５４…スラストエア軸受 ５６Ａ、５６Ｂ…ベアリングケース
５６ａ、５６ｂ…内周面 ５７…フォイル群
５８…バンプフォイル ５９…ミッドフォイル
５９ａ、６０ａ…固定面 ５９ｂ、６０ｂ…渡り面
５９ｃ、６０ｃ…回転軸押さえ面 ６０…トップフォイル

Claims (2)

1. 回転軸が挿入される円筒部材と、
   前記円筒部材の内周面に設けられるフォイル群と、
   を備え、前記回転軸をジャーナル方向に支持する動圧型フォイル式気体軸受であって、
   前記フォイル群は、前記円筒部材の軸中心に向かって順次配置される板状のバンプフォイル、板状のミッドフォイル及び板状のトップフォイルを備えるとともに、
   前記ミッドフォイルは、前記円筒部材の内周面に固定される第１固定面と、
   前記回転軸の回転方向に向かって延在し、一端が第１渡り面を介して前記第１固定面に連なり且つ他端が自由端であり、前記回転軸を周方向から拘束する第１回転軸押さえ面と、
   を有し、
   前記トップフォイルは、前記円筒部材の内周面に固定される第２固定面と、
   前記回転軸の回転方向とは逆方向に向かって延在し、一端が第２渡り面を介して前記第２固定面に連なり且つ他端が自由端であり、前記回転軸を周方向から拘束する第２回転軸押さえ面と、
   を有し、
   前記第１渡り面は、屈曲する直線部位により構成される一方、前記第２渡り面は、前記軸中心側に膨出する湾曲部位により構成されることを特徴とする動圧型フォイル式気体軸受。
2. 請求項１記載の動圧型フォイル式気体軸受において、前記トップフォイルの自由端は、前記ミッドフォイルの前記第１渡り面を覆って前記第１固定面側に延在することを特徴とする動圧型フォイル式気体軸受。

Images