JP2013217426A - スラスト軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の軸方向への動きを十分に制限することができ、しかもスラストカラーの振動による傾きをより良好に吸収できるようにした、スラスト軸受を提供する。
【解決手段】回転軸１に設けられたスラストカラー４に対向して配置されるスラスト軸受３である。スラストカラー４に対向して配置され、かつ、スラストカラー４に対向する面に動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝１１を形成した円環状の軸受板８と、軸受板８の、スラストカラー４に対向する面と反対側の面に対向して配置され、かつ、内周部に、軸受板８に対して隙間をあけて近接する突出部１３を有する円環状のベース板９と、軸受板８とベース板９との間に変位可能に配置されて、軸受板８の径方向中央部を支持する弾性変形可能な円環状の弾性支持部１０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、スラスト軸受に関する。

従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラスト軸受が知られている。このようなスラスト軸受のうち、動圧効果を利用するスラスト動圧軸受では、例えば軸受面にスパイラル溝を形成し、スラストカラーと軸受面との間に流体潤滑膜を形成することで、該潤滑膜を介して回転軸を支持している。

ところで、このようなスラスト動圧軸受としては、軸振動や衝撃を吸収するために柔軟なフォイル、例えば厚さ１００μｍ前後の金属製薄板で軸受面（軸受板）を形成し、この軸受面の下に該軸受面を柔軟に支持するためのフォイル構造を有したものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
すなわち、特許文献１では、テーパ形状の軸受面を波板形状のフォイル（バンプフォイル）で支持した構造が開示されている。

また、特許文献２では、スパイラル溝を形成したフォイルを軸受面（軸受板）とし、軸受面の下に複数枚のフォイルを挿入した構造が開示されている。この構造においては、軸受板の下に挿入された各フォイルにそれぞれエッチング溝が形成されており、溝が互い違いになるようにフォイル同士が重ね合わされ、バネのように機能するようになっている。
したがって、特許文献１や特許文献２に開示された軸受にあっては、いずれも軸受面（軸受板）が柔軟なため、振動や衝撃によって発生する回転軸の動き、すなわちスラストカラーの軸方向の動きと、スラストカラーの振動（面振れ）による傾きとをある程度吸収できるようになっている。

特表２００８−５１３７０１号公報 特開平０６−０７３４３７号公報

しかしながら、特許文献１の構造では、軸受面（軸受板）全体がメインプレートに柔軟に支持されているため、スラスト荷重（静荷重）が増えると軸受面（軸受板）全体がメインプレート側に移動し、これによって回転軸もその軸方向へ移動することにより、この回転軸が外側の静止部に接触してしまう可能性がある。例えば、この軸受をターボ機械のインペラを有する回転軸に適用した場合に、回転軸がその軸方向へ移動することで、インペラがその外側のハウジング（静止部）と接触を起こす可能性がある。
このような接触を避けるには、回転軸とハウジング（静止部）との隙間（軸方向隙間）を広くする必要があるが、ターボ機械のようにインペラを有する回転機械ではチップクリアランス（インペラ先端と静止部との隙間）を拡げることになるため、効率が低下してしまう。

また、特許文献２の構造では、フォイルに形成するエッチング溝の深さを調整することにより、軸方向の移動量を少なくすることができる。しかしながら、軸受面全体が概ね均等な剛性で支持されているため、前記の流体潤滑膜の動圧に分布がある場合、この動圧が高くなる部位（例えば、ポンプイン形のスパイラル溝が形成されている場合には内周側）が大きく撓むことになる。すると、この動圧が高くなる部位において所望の動圧が発生され難くなり、結果として軸受の軸受負荷能力が低下してしまう。

さらに、スラスト軸受が例えば過給機のように高温に晒される回転機械に用いられる場合には、その構成部材の材質として、ゴムや樹脂などの耐熱性が低い弾性体を用いることはできない。したがって、このような高温環境下で使用される回転機械にも適用されるスラスト軸受では、その構成要素の材質について制限がより厳しくなっている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、回転軸の軸方向への動きを十分に制限することができ、さらにスラストカラーの振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収でき、しかも高温環境下で使用される回転機械にも適用可能なスラスト軸受を提供することにある。

本発明のスラスト軸受は、回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラスト軸受であって、
前記スラストカラーに対向して配置され、かつ、前記スラストカラーに対向する面に動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝を形成した円環状の軸受板と、
前記軸受板の、前記スラストカラーに対向する面と反対側の面に対向して配置され、かつ、内周部に、前記軸受板に対して隙間をあけて近接する突出部を有する円環状のベース板と、
前記軸受板と前記ベース板との間に変位可能に配置されて、前記軸受板の径方向中央部を支持する弾性変形可能な円環状の弾性支持部と、を備えることを特徴とする。

このスラスト軸受によれば、軸受板のスラストカラーに対向する面に、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成されているので、このスパイラル溝によって形成される流体潤滑膜の動圧に、スラスト軸受の内周側の圧力が外周側の圧力より高くなる圧力分布が生じる。
そこで、このスラスト軸受では、ベース板の内周部に突出部を形成しているので、前記動圧が高くなって軸受板の内周側が所定の撓み量に達すると該軸受板が前記突出部に接するようになり、軸受板の内周側の支持状態が剛に切り替わる。このように内周側の支持状態が剛になると、この内周側での軸受板の撓みが規制されて必要以上に大きく撓むことがなくなり、したがって内周側でも流体潤滑膜に所望の動圧が発生され易くなる。よって、軸受の軸受負荷能力の低下が抑制される。
また、軸受板とベース板との間に、軸受板の径方向中央部を支持する円環状の弾性支持部を変位可能に配置しているので、予め軸受板の板厚を適切に設計しておくことにより、大きなスラスト荷重を受けた際にも軸受板は外周方向へ僅かに傾斜するだけになる。したがって、軸受板の局所的な撓みが生じ難くなるので、負荷能力の低下がさらに抑制される。
さらに、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、前記の突出部によって軸受板がベース板側に移動するのが規制されているため、回転軸の軸方向への移動も、予め設計された範囲内に制限されるようになる。

また、このように軸受板の内周側は、前記動圧が高くなると高剛性支持に切り替えられるが、外周側については基本的に支持点が無い状態となっている。このため、振動や衝撃によって回転軸に傾きが生じた場合には、軸受板がスラストカラーの傾きに沿うように変形することで、スラストカラーと軸受板との間の軸受隙間が概ね一定に保たれ、流体潤滑膜が破断し難くなる。
また、軸受板が変形した際には軸受板とこれを支持すると弾性支持部との間に摺動が起こるため、摩擦によってエネルギーが散逸することによる減衰効果が得られる。
さらに、軸受板、弾性支持部、ベース板をいずれも金属等の耐熱性材料によって形成することができ、したがって高温環境下で使用される回転機械にも使用可能なものとなる。

また、前記スラスト軸受において、前記弾性支持部は、円環状のバネ体によって形成されていることが好ましい。
このようにすれば、弾性支持部を金属で容易に形成することができる。

また、前記スラスト軸受において、前記弾性支持部は、円環状のバネ部材と、該バネ部材と前記軸受板との間に配置されて前記軸受板の径方向中央部を支持する円環状のスペーサフォイルと、を備えて構成されていることが好ましい。
このようにすれば、軸受板が変形した際に軸受板とスペーサフォイルとの間、およびスペーサフォイルとバネ部材との間にそれぞれ摺動が起こるため、摩擦によってエネルギーが散逸する箇所が増え、したがって減衰効果がより多く得られる。

また、前記スラスト軸受において、前記軸受板は複数枚の軸受フォイルが重ねられて形成され、該軸受フォイルの前記スラストカラー側の軸受フォイルに、前記ポンプイン形スパイラル溝が形成されていることが好ましい。
このようにすれば、回転軸が傾くような振れ回り振動が起こり、スラストカラーに傾き(面振れ)が生じた際、軸受板を形成する複数枚の軸受フォイルが互いに擦れ合うことにより、その摩擦によって前記振れ回り振動を減衰させるように作用する。

また、前記スラスト軸受において、前記軸受板、前記ベース板、前記弾性支持部は、前記スラストカラーを挟んでその両側にそれぞれ設けられ、前記一対のベース板および弾性支持部は、前記スラストカラーの側方に配置される環状の軸受スペーサを介してそれぞれ連結され、前記一対の軸受板は、その外周縁から延出した保持片によって前記軸受スペーサに保持されていることが好ましい。
このようにすれば、軸受板、ベース板、弾性支持部が、スラストカラーを挟んでその両側にそれぞれ設けられているので、スラストカラーに対してその両側、すなわち回転軸に対してその軸方向の両方向にそれぞれ前記効果を発揮することができる。また、軸受板は、その外周縁から延出した保持片によって軸受スペーサに保持されているので、保持片が形成されていない箇所では軸受スペーサに支持されない、すなわち支持点が無い状態となる。したがって、軸受板の外周側は実質的に軸受スペーサに支持されない自由端となるため、振動や衝撃によって回転軸に傾きが生じた場合に、軸受板がスラストカラーの傾きに沿うように変形することで、スラストカラーと軸受板との間の軸受隙間が概ね一定に保たれ、流体潤滑膜が破断し難くなる。

本発明のスラスト軸受によれば、スラスト荷重（静荷重）が増えて前記動圧が高くなっても、前述したように軸受板がベース板側に移動するのが規制されているので、回転軸がその軸方向に移動するのが十分に制限される。したがって、例えばこのスラスト軸受をターボ機械のインペラを有する回転軸に適用した場合に、回転軸がその軸方向へ移動することで、インペラがその外側のハウジング（静止部）に接触してしまうおそれが無くなる。
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、動圧が設定以上に高くなると軸受板の支持状態が突出部によって剛に切り替えられるようになっているので、軸受板が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの内周側でも所望の動圧を発生し易くなるため、軸受の軸受負荷能力の低下を抑制してスラストカラーの振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
また、高温環境下で使用される回転機械にも適用可能となっているため、例えばこのスラスト軸受を過給機にも適用することができる。

本発明に係るスラスト軸受が適用されるターボ機械の一例を示す模式図である。 （ａ）は本発明に係るスラスト軸受の第１実施形態の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。 流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。 本発明に係るスラスト軸受の第２実施形態の概略構成を示す側断面図である。 本発明に係るスラスト軸受の第３実施形態の概略構成を示す側断面図である。

以下、図面を参照して本発明のスラスト軸受を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明のスラスト軸受が適用されるターボ機械の一例を模式的に示す側面図であり、図１中符号１は回転軸、２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、３は本発明に係るスラスト軸受である。

回転軸１には、インペラ２が形成された側にスラストカラー４が固定されており、このスラストカラー４には、このスラストカラー４を挟持するようにしてスラスト軸受３が配置されている。
また、インペラ２は静止側となるハウジング５内に配置されており、ハウジング５との間にチップクリアランス６を有している。
また、回転軸１には、スラストカラー４より中央側に、ラジアル軸受７が設けられている。

図２（ａ）、（ｂ）は、このような構成のターボ機械に適用されたスラスト軸受の第１実施形態を示す図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。なお、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線で断面視した図である。この第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）は、スラストカラー４の両側にそれぞれ配置される軸受部３０、３０を有し、これら軸受部３０、３０間が軸受スペーサ３１を介して一体化されたものである。

軸受部３０、３０は、互いに同じ構成に形成されたもので、スラストカラー４を挟んで対称に配設されている。これら軸受部３０は、回転軸１に固定された円板状のスラストカラー４に対向して配置された円環状（円筒状）のもので、回転軸１に外挿した状態に設けられている。軸受部３０は、スラストカラー４に対向して配置されるトップフォイル（軸受板）８と、このトップフォイル８の、前記スラストカラー４に対向する面と反対側の面に対向して配置されたベース板９と、これらトップフォイル８とベース板９との間に配置された円環バネ（弾性支持部）１０と、を備えている。

トップフォイル８は、回転軸１を挿通するための貫通孔８ａを有した金属製で厚さ１ｍｍ程度の円環板状のもので、スラストカラー４に対向する面を軸受面８ｂとしたものである。この軸受面８ｂには、図２（ｂ）に示すように動圧発生用のスパイラル溝１１が形成されている。スパイラル溝１１は、公知のポンプイン形のもので、多数の螺旋形溝（スパイラル状の溝）１１ａを周方向に沿って等間隔に配置したものであり、本実施形態では螺旋形溝１１ａが全て同一の流入角を有して形成されたものである。ただし、本発明においては、必ずしも螺旋形溝１１ａが全て同一の流入角を有しておらず、例えば一部の螺旋形溝１１ａで異なっていたり、さらには一つの螺旋形溝１１ａ内において異なる流入角を有しているような動圧発生用のスパイラル溝であっても、本発明における動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝であるものとする。

図２（ｂ）に示すように螺旋形溝１１ａは、軸受面８ｂの外周端から、前記貫通孔８ａの周囲に設けられた円環状のランド１１ｂにまで延びて形成されている。ランド１１ｂは、螺旋形溝１１ａの底面に対して相対的に高い位置（外側の位置）に外面を有したものである。なお、螺旋形溝１１ａ、１１ａ間もランド（図示せず）となっている。

このような構成によってスパイラル溝１１（螺旋形溝１１ａ）は、スラストカラー４に対して軸受面８ｂが相対的に回転した際（実際にはスラストカラー４が回転する）、軸受面８ｂの外周側から螺旋形溝１１ａに沿って内周側に軸受周囲の流体を引き込み、これによってスラストカラー４と軸受面８ｂとの間に流体潤滑膜を形成するようになっている。また、スパイラル溝１１（螺旋形溝１１ａ）によって引き込まれた流体は、ランド１１ｂに衝突することでその流れが遮られ、動圧が保持されるため、特に軸受板８の内周側で圧力が高くなるようになっている。すなわち、スパイラル溝１１（螺旋形溝１１ａ）によって形成される流体潤滑膜は、軸受面８ｂの外周側に比べ、内周側で高くなるような圧力分布を有するものとなっている。

図３は、このような流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。図３中横軸は、図２（ｂ）に示した軸受面８ｂにおける、中心からの半径方向の距離（位置）［ｒ］を示し（右側に行くほど長くなる）、縦軸は流体潤滑膜の圧力（動圧）［Ｐ］を示している（上側に行くほど高くなる）。また、図３のグラフにおける（１）は、図２（ｂ）中のランド１１ｂの内周縁での圧力を示し、（２）は同じくランド１１ｂの外周縁での圧力を示し、（３）は軸受面８ｂの外周縁での圧力を示している。

図３に示すように、軸受面８ｂの外周縁（３）からランド１１ｂの外周縁（２）までの範囲内においては、外周側から内周側に行くに連れて流体潤滑膜の圧力（動圧）は連続的に高くなるように変化している。また、軸受面８ｂ全体で見ても、ランド１１ｂの外周縁（２）、すなわちスパイラル溝１１が形成された領域の内周端で、流体潤滑膜の圧力（動圧）が最も高くなっている。
本発明では、このようなグラフ（図３）で示される半径方向の距離［ｒ］と流体潤滑膜の圧力［Ｐ］との関係を示す式を、Ｐ（ｒ）として定義する。

また、トップフォイル８には、図２（ｂ）に示すようにその外周部に、外周縁から延出する複数の保持片１２が形成されている。保持片１２は、本実施形態ではトップフォイル８の円周を４等分する位置にそれぞれ形成されており、したがって計４つ形成されている。これら保持片１２は、前記軸受スペーサ３１に形成された切欠部３２内に配置され、これによってトップフォイル８は軸受スペーサ３１に保持されている。切欠部３２は、その深さが保持片１２の厚さより深く、また、幅も保持片１２の幅より広く形成されている。このような構成のもとに保持片１２は、切欠部３２内にてその深さ方向に変位可能になっており、かつ、幅方向（軸受スペーサ３１の周方向）にも変位可能になっている。なお、保持片１２が形成された部位はトップフォイル８の円周全体に比べて僅かであり、保持片１２が形成されていない多くの部位では、トップフォイル８は軸受スペーサ３１に支持されない状態、すなわち支持点が無い状態となっている。

図２（ａ）に示すようにベース板９は、回転軸１を挿通するための貫通孔９ａを有した金属製で円環板状（略円筒状）のもので、トップフォイル８における軸受面８ｂと反対側の面に対向して配置されたものである。このベース板９は、前記軸受スペーサ３１に円環バネ１０を介してボルト３３で固定され、さらにこのボルト３３によってターボ機械のケーシング３５に固定されている。なお、本実施形態では図２（ｂ）に示すように軸受スペーサ３１にボルト孔３４が８個形成されており、したがって本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）は、８本のボルト３３によってケーシング３５に固定されている。

ベース板９には、トップフォイル８に対向する面の内周部に、トップフォイル８に対して所定の隙間をあけて近接する突出部１３が形成されている。突出部１３は、円筒状に形成されたもので、図２（ｂ）に示すトップフォイル８のランド１１ｂの内周縁に対応する位置、すなわちトップフォイル８の内周縁から、ランド１１ｂの径の半分程度のとなる位置までの幅（厚さ）に形成されている。また、その先端面は、前記所定の隙間が２０〜３０μｍとなるようにトップフォイル８に対して配置され、軸受スペーサ３１に固定されている。

また、ベース板９は、その外周部も円筒状に突出しており、この突出した円筒状の部位は、軸受スペーサ３１に円環バネ１０を介して接続し固定される固定部１４となっている。すなわち、この固定部１４には、前記ボルト３３が挿通されるボルト孔（図示せず）が形成されており、該ボルト３３によって固定部１４（ベース板９）は軸受スペーサ３１に固定されるとともに、ケーシング３５に固定されている。また、固定部１４は、前記突出部１３に比べて低い高さに形成されており、これによって該固定部１４と軸受スペーサ３１との間に、円環バネ１０が挟着されるようになっている。そして、このように外周部に固定部１４が形成され、内周部に突出部１３が形成されたことにより、ベース板９にはその中央部に、相対的な凹部が形成されている。

円環バネ１０は、金属製で円環板状のもので、その外周部に前記ボルト３３が挿通されるボルト孔（図示せず）が形成されている。これにより、前記したように円環バネ１０は、ベース板９の固定部１４と軸受スペーサ３１との間に挟着され、前記ボルト３３によって軸受スペーサ３１に固定されるとともに、ケーシング３５に固定されている。この円環バネ１０は、例えば１ｍｍ程度の厚さに形成されたもので、その内周側に円環状の厚肉部１５が形成されている。

厚肉部１５は、円環バネ１０の表裏両面に対称形状となるようそれぞれ突出して形成されたもので、特にトップフォイル８に対向する面に形成された凸部が、トップフォイル８に当接してこれを支持するようになっている。ここで、厚肉部１５が円環バネ１０の表裏両面にそれぞれ突出して形成されるのは、片面だけ加工すると反りが発生し易くなるためである。なお、厚肉部１５の突出高さは、設計によって変更可能であるものの、例えば５０μｍ程度に形成される。

このような厚肉部１５を形成した円環バネ１０は、その内周側、すなわち厚肉部１５側がベース板９の前記凹部内に配置されることにより、この内周側が前記凹部内にてトップフォイル８とベース板９との間を弾性変形可能、すなわち変位可能になっている。これによって円環バネ１０は、厚肉部１５によってトップフォイル８の径方向中央部を弾性的に支持する弾性支持部となっている。

ここで、トップフォイル８の径方向中央部とは、トップフォイル８の径方向における中央位置、すなわち中央の点（線）位置のみを意味するものではなく、該中央の点（線）位置とその近傍を含む範囲を意味している。このような径方向中央部として具体的には、トップフォイル８の加重平均的な位置が採用され、本実施形態ではこの位置に前記厚肉部１５が当接するように円環バネ１０が配置されている。

トップフォイル８の加重平均的な位置、すなわちトップフォイル８に厚肉部１５を当接させ、支持させる位置Ｒｃは、以下の式によって求められる。ただし、Ｒｃは、トップフォイル８の中心からの距離（半径）とする。

Ｒｃ＝［２π∫ｒＰ（ｒ）ｒｄｒ］／［２π∫Ｐ（ｒ）ｒｄｒ］ ……［式］
前記式中においてＰ（ｒ）は、前記したように図３で示される半径方向の距離［ｒ］と流体潤滑膜の圧力［Ｐ］との関係を示す式である。また、ｒは図３で示される半径方向の距離（位置）、Ｐは同じく流体潤滑膜の圧力（動圧）である。
また、前記式中において分母［２π∫Ｐ（ｒ）ｒｄｒ］は、面圧（面で受ける荷重）を示し、分子［２π∫ｒＰ（ｒ）ｒｄｒ］は、モーメントの和を示す。
なお、厚肉部１５の半径方向の幅については、応力集中しない程度となるように構造解析で決定され、例えば前記Ｒｃの１／１０程度とされる。

軸受スペーサ３１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように金属製で円筒状のもので、その内径がトップフォイル８の外径（保持片１２を除く外径）より僅かに大きく形成されている。これにより、軸受スペーサ３１はトップフォイル８の面方向のガタツキをある程度許容しつつ、該トップフォイル８を内部に収容している。また、軸受スペーサ３１は、前述したように切欠部３２にトップフォイル８の保持片１２を保持しており、これによって保持片１２は、切欠部３２の深さ方向に変位可能になっており、かつ、幅方向（軸受スペーサ３１の周方向）にも変位可能になっている。

ここで、トップフォイル８は、図２（ａ）に示すようにスラストカラー４と反対側の面が円環バネ１０で支持されることにより、保持片１２が切欠部３２の内面（底面）側に付勢され、これによって軸受スペーサ３１に保持されている。その際、トップフォイル８はベース板９の突出部１３に対し、前記したように２０〜３０μｍ程度の所定の隙間をあけて、配置されるようになっている。なお、トップフォイル８は、保持片１２が形成されていない箇所では軸受スペーサ３１に支持されておらず、したがって外周側は支持点が無い状態となっている。したがって、トップフォイル８の外周側は、実質的には軸受スペーサ３１に支持されない自由端となっている。

次に、このような構成からなるスラスト軸受３Ａ（３）の作用について説明する。
回転軸１が高速で回転すると、スラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの間に、スパイラル溝１１で形成された動圧によって流体潤滑膜が形成され、これによってスラスト軸受３Ａ（３）は、形成された流体潤滑膜を介してスラストカラー４を支持するようになる。なお、形成された流体潤滑膜の動圧は、前述したようにスラスト軸受３Ａ（３）の内周側で高く、外周側で低くなっている。

また、回転軸1にスラスト荷重が作用すると、スラスト荷重はスラストカラー４と前記軸受面８ｂとの間に形成された流体潤滑膜を介してトップフォイル８に伝達される。さらにスラスト荷重が増すと、トップフォイル８はこれを支持する円環バネ１０を押しながら軸方向に変形（移動）し始める。

その際、トップフォイル８は初期状態ではその内周側が支持されておらず、一方、内周側の流体膜圧（流体潤滑膜の動圧）が高くなっているので、内周側から先に撓んでいく。そして、その撓み量がベース板９の突出部１３との隙間に相当する量に達し、トップフォイル８の内周側が突出部１３に当接すると、トップフォイル8の内周側の撓み（変形）、すなわち回転軸１（スラストカラー４）の軸方向への移動が停止する。

この状態からさらにスラスト荷重が増すと、円環バネ１０がトップフォイル８によってさらに押し込まれ、トップフォイル8の外周側が撓み始める。外周側の撓みが進行すると、トップフォイル８は側面視して「ハ」の字状に撓むことになるが、内周側はベース板9の突出部１３に当接した状態になっているので、回転軸1の軸方向移動へは変位しない。

したがって、高圧の流体潤滑膜が生じる内周側がベース板９との接触により剛に支持されるので、この内周側でのトップフォイル８の撓みが規制されて必要以上に大きく撓むことがなく、これによって内周側でも流体潤滑膜に所望の動圧が発生され易くなるため、軸受３Ａ（３）の軸受負荷能力の低下が抑制される。
また、トップフォイル８の中央部が円環バネ１０によって支持されているので、予めトップフォイル８の板厚を適切に設計しておけば、軸受面８ｂ（トップフォイル８）は外周方向へ僅かに傾斜するだけになる。したがって、軸受面８ｂ（トップフォイル８）の局所的な撓みが生じ難くなるので、負荷能力の低下がさらに抑制される。

また、回転軸１は、回転軸が有する不釣合い、外部環境の影響および運転状態などによってその回転が回転中心から僅かながらぶれて振動することがあり、その場合にはこれに固定されているスラストカラー４も僅かながら振動して面振れし、瞬間的に傾いた状態となることがある。また、衝撃によっても同様に傾いた状態となることがある。その際、トップフォイル８はその中央部から外周部にかけて、実質的に円環バネ１０で支持されているだけであるので、スラストカラー4に沿うように変形（傾斜）する。したがって、流体潤滑膜はその厚さが極端に狭められることがなく、一定に保たれるため、破断し難くなる。これにより、スラストカラー4の振動等による傾きが、軸受３Ａ（３）によって良好に吸収されるようになる。
また、トップフォイル８が変形する際に円環バネ１０との摺動が起こり、摩擦によってエネルギーを散逸するので、振動や衝撃等による回転軸の動き（主として傾き運動）を減衰させることができる。

したがって、本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）によれば、スラスト荷重（静荷重）が増えて前記動圧が高くなっても、前述したようにトップフォイル８がベース板９側に移動するのが規制されているので、回転軸１がその軸方向に移動するのが十分に制限される。したがって、例えばこのスラスト軸受３Ａ（３）をターボ機械のインペラ２を有する回転軸１に適用した場合に、回転軸１がその軸方向へ移動することで、インペラ２がその外側のハウジング（静止部）５に接触してしまうおそれが無くなる。
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、動圧が設定以上に高くなるとトップフォイル８の支持状態が突出部１３によって剛に切り替えられるようになっているので、トップフォイル８が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの内周側でも所望の動圧を発生し易くなるため、軸受３Ａ（３）の軸受負荷能力の低下が抑制されてスラストカラー４の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
また、トップフォイル８、ベース板９、円環バネ１０、軸受スペーサ３１がいずれも金属によって形成されているため、高温環境下で使用される回転機械にも適用可能となり、したがって、このスラスト軸受３Ａ（３）を例えば過給機にも適用することができる。

図４は、図１に示したターボ機械に適用されたスラスト軸受の第２実施形態を示す図である。この第２実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）が、図２（ａ）に示したスラスト軸受３Ａ（３）と異なるところは、本発明に係る弾性支持部を円環バネ１０によって構成するのに代えて、円環状のバネ部材１６とスペーサフォイル１７とによって構成している点である。

図４に示すようにバネ部材１６は、金属製で円環板状のもので、図２（ａ）に示した円環バネ１０と同様に、その外周部にボルト孔（図示せず）が形成されている。これによってバネ部材１６は、ボルト孔に前記ボルト３３が挿通されることにより、ベース板９の固定部１４と軸受スペーサ３１との間に挟着され、軸受スペーサ３１に固定されるとともに、ケーシング３５に固定されている。このバネ部材１６は、前記円環バネ１０より薄く形成されており、例えば０．７〜０．９ｍｍ程度の厚さに形成されている。なお、このバネ部材１６には、円環バネ１０に形成された厚肉部１５は形成されていない。

スペーサフォイル１７は、バネ部材１６とトップフォイル８との間に配置された金属箔からなるもので、トップフォイル８の径方向中央部を支持するように形成配置されたものである。ここで、トップフォイル８の径方向中央部とは、第１実施形態において円環バネ１０の厚肉部１５が支持する部位と同じ部位を意味している。なお、このスペーサフォイル１７は、その外径が軸受スペーサ３１の内径にほぼ等しく形成されている。したがって、スペーサフォイル１７は、軸受スペーサ３１内においてその径方向に移動することが制限されている。ただし、このスペーサフォイル１７とバネ部材１６とは、前記円環バネ１０と同様に、トップフォイル８とベース板９の前記凹部の内面との間の変位は可能になっている。

スペーサフォイル１７は、厚さが０．１ｍｍ程度に形成されたもので、その内周部側に、円環バネ１０と同様に厚肉部１８を形成している。厚肉部１８は、スペーサフォイル１７の表裏両面に対称形状となるようそれぞれ突出して形成されたもので、特にトップフォイル８に対向する面に形成された凸部が、トップフォイル８に当接してこれを支持するようになっている。ここで、厚肉部１８がスペーサフォイル１７の表裏両面にそれぞれ突出して形成されるのは、円環バネ１０の場合と同様、片面だけ加工すると反りが発生し易くなるためである。

厚肉部１８の突出高さは、設計によって種々に変更されるものの、例えば１５μｍ程度に形成される。したがって、スペーサフォイル１７の内周側と外周側とでは、その厚さに３０μｍ程度の差が形成されている。すなわち、トップフォイル８は、スペーサフォイル１７の厚肉部１８で支持される中央部に比べ、外周側では３０μｍ程度外側（スラストカラー４と反対の側）に撓むことが可能になっている。

このような厚肉部１８の形成は、スペーサフォイル１７を形成するための金属箔をエッチング処理することで行う。前記の円環バネ１０についても、その厚肉部１５の形成は、スペーサフォイル１７と同様にして、エッチング処理で行う。その際、このようなエッチング処理による厚肉部の加工は、基材（金属箔）が薄い方がより高精度に行うことができる。したがって、本実施形態では、第１実施形態の円環バネ１０に比べ、スペーサフォイル１７の厚肉部１８をより高精度に加工することができる。

本実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）においても、第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と同様に作用し、これによって同様の効果が得られる。
また、スペーサフォイル１７の厚肉部１８を、円環バネ１０の厚肉部１５に比べてより高精度に加工することができるため、トップフォイル８の最大撓み量をより設計通りにすることができる。
また、トップフォイル８が変形した際にトップフォイル８とスペーサフォイル１７との間、およびスペーサフォイル１７とバネ部材１６との間にそれぞれ摺動が起こるため、摩擦によってエネルギーが散逸する箇所が増え、したがって減衰効果をより多く得ることができる。

図５は、図１に示したターボ機械に適用されたスラスト軸受の第３実施形態を示す図である。この第３実施形態のスラスト軸受３Ｃ（３）が、図４に示したスラスト軸受３Ａ（３）と異なるところは、本発明に係る軸受板をトップフォイルによって構成するのに代えて、３枚（複数枚）の軸受フォイル１９、２０、２１を重ねて形成している点である。

３枚の軸受フォイル１９、２０、２１のうち、スラストカラー４側の軸受フォイル１９には、スラストカラー４に対向する面、すなわち軸受面（図示せず）に、図２（ｂ）に示したスパイラル溝１１と同様のスパイラル溝（図示せず）が形成されている。この軸受フォイル１９は、厚さが例えば０．２ｍ程度に形成され、前記スパイラル溝の深さは、３０〜４０μｍ程度に形成される。スパイラル溝はエッチングによって形成されるため、前述したように基材（金属箔）の厚さが薄い方がより高精度に行うことができる。したがって、本実施形態では、第１実施形態のトップフォイル８に比べ、スパイラル溝をより高精度に加工することができる。なお、軸受フォイル２０、２１は、いずれも厚さが例えば０．４ｍ程度に形成される。

本実施形態のスラスト軸受３Ｃ（３）においても、第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と同様に作用し、これによって同様の効果が得られる。
また、回転軸１が傾くような振れ回り振動が起こり、スラストカラー４に傾き(面振れ)が生じた際、軸受板を形成する複数枚の軸受フォイル１９、２０、２１が互いに擦れ合うことにより、その摩擦によって前記振れ回り振動をより良好に減衰させることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、前記第３実施形態では、第２実施形態に対して軸受板の構成をトップフォイル８から３枚（複数枚）の軸受フォイル１９、２０、２１に変更したが、第１実施形態に対して軸受板の構成をトップフォイル８から３枚（複数枚）の軸受フォイル１９、２０、２１に変更するようにしてもよい。
また、このように軸受板を複数枚の軸受フォイルで構成する場合、３枚でなく、２枚もしくは４枚以上の軸受フォイルで軸受板を構成するようにしてもよい。

また、前記実施形態では軸受スペーサ３１を用いて一対の軸受部３０、３０を一体化したが、本発明はこれに限定されることなく、各軸受部３０をそれぞれ独立させてスラストカラー４に対向配置させてもよい。その場合には、各軸受部３０が本発明のスラスト軸受となる。

また、軸受スペーサを用いる場合にも、図２、図４、図５に示した構造のものに代えて、種々の構造のものが使用可能である。例えば、前記構造のものでは、回転軸１を回転させた際、前記軸受スペーサ３１の切欠部３２から軸受スペーサ３１内に外気が導入され、流体潤滑膜が形成され、さらには各構成部材が冷却されるが、外気の導入量を多くしたい場合には、切欠部３２の形成箇所以外の箇所に、外気導入用の切欠部を別に形成してもよい。
その場合にこの軸受スペーサでは、外気導入用の切欠部に対し、外気の流れ方向において隣接する部位の内周を、該切欠部から導入された外気が流れ易いように、該軸受スペーサの内径をトップフォイル（軸受板）の外径より充分に大きく形成しておくのが好ましい。

１…回転軸、３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ）…スラスト軸受、４…スラストカラー、８…トップフォイルイ（軸受板）、８ｂ…軸受面、９…ベース板、１０…円環バネ（弾性支持部）、１１…スパイラル溝（ポンプイン形スパイラル溝）、１２…保持片、１３…突出部、１６…バネ部材、１７…スペーサフォイル、１９、２０、２１…軸受フォイル、３０…軸受部、３１…軸受スペーサ、３２…切欠部

Claims (5)

1. 回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラスト軸受であって、
   前記スラストカラーに対向して配置され、かつ、前記スラストカラーに対向する面に動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝を形成した円環状の軸受板と、
   前記軸受板の、前記スラストカラーに対向する面と反対側の面に対向して配置され、かつ、内周部に、前記軸受板に対して隙間をあけて近接する突出部を有する円環状のベース板と、
   前記軸受板と前記ベース板との間に変位可能に配置されて、前記軸受板の径方向中央部を支持する弾性変形可能な円環状の弾性支持部と、を備えることを特徴とするスラスト軸受。
2. 前記弾性支持部は、円環状のバネ体によって形成されていることを特徴とする請求項１記載のスラスト軸受。
3. 前記弾性支持部は、円環状のバネ部材と、該バネ部材と前記軸受板との間に配置されて前記軸受板の径方向中央部を支持する円環状のスペーサフォイルと、を備えて構成されていることを特徴とする請求項１記載のスラスト軸受。
4. 前記軸受板は複数枚の軸受フォイルが重ねられて形成され、該軸受フォイルの前記スラストカラー側の軸受フォイルに、前記ポンプイン形スパイラル溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
5. 前記軸受板、前記ベース板、前記弾性支持部は、前記スラストカラーを挟んでその両側にそれぞれ設けられ、前記一対のベース板および弾性支持部は、前記スラストカラーの側方に配置される環状の軸受スペーサを介してそれぞれ連結され、前記一対の軸受板は、その外周縁から延出した保持片によって前記軸受スペーサに保持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスラスト軸受。

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