JP2019015322A - スラストフォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の回転が低速であっても回転体との間に高圧の気体膜を介在させることができ、かつ、ダンピング性能に優れたスラストフォイル軸受を提供する。【解決手段】本発明に係るスラストフォイル軸受１は、回転する軸１３０を支持する軸受であって、環状の軸受本体２と、軸受本体２と回転する軸１３０の間に配置され、軸受面１５を構成する複数のトップフォイル１０と、軸受本体２と各トップフォイル１０との間に介在する複数のバンプメッシュフォイル２０と、を備え、バンプメッシュフォイル２０は、２つ以上の網状体３０を積層した網状積層体３０Ａであり、起伏を繰り返す形状となっていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、スラストフォイル軸受に関する。

スラストフォイル軸受は、対向する回転体との間に高圧の気体膜を介在させ、回転体に接触することなく支持する軸受であり、ヘリウム液化機、カラーコピー機用ポリゴンミラー、マクロガスタービンなど、回転軸が超高速で回転する機器・装置で使用されている。

スラストフォイル軸受の構成を説明すると、スラストフォイル軸受は、環状の軸受本体と、軸受本体の端面上に配置された複数のトップフォイルと、軸受本体と各トップフォイルとの間に介在する複数のバンプフォイルと、を備えている（下記特許文献１，２参照）。

トップフォイルは、軸方向から視て略円弧状を呈し、周方向の一端側のみが軸受本体に固定され、他端側が自由端となっている。また、トップフォイルにおいて中央部から他端部までの部位は、バンプフォイルにより支持されており、一端部よりも回転体寄りに配置されている。
このため、トップフォイルにおいて中央部から他端部までの部位は、回転体を支持する軸受面を構成する。一方で、トップフォイルの一端部は、回転体と離間しており、トップフォイルの一端部と回転体との隙間は、回転方向に向って幅狭（くさび状）になっている。以下、トップフォイルの一端側と回転体との隙間をくさび状隙間と称する。

回転体が回転すると、回転体の周囲の気体は、くさび状隙間に引き込まれるとともに、そのくさび状隙間内で回転方向に移動する。このため、くさび状隙間の先端側には、多くの気体が送り込まれ、高圧部分が発生する。
そして、回転体の回転数がさらに高まり、高圧部分の圧力がバンプフォイルの剛性を上回ると、バンプフォイルが収縮し、トップフォイルが回転体から離間する。これにより、トップフォイルと回転体との間には、高圧の気体膜（潤滑流体）が介在し、回転体に作用する摩擦力が低減する。

特開２０１５−１３２３３３号公報 特開２００９−２８７６５４号公報

しかしながら、上記バンプフォイルは、一枚の金属板で構成され剛性の調整が難しい。このため、剛性が高い場合には、回転体の回転が低速の場合に収縮（変形）し難く、回転体との間に高圧の気体膜を介在させることが困難であった。
また、上記バンプフォイルにおいて、振動エネルギーを減衰させるダンピング性能（減衰性能）の向上が望まれている。また、上記バンプフォイルにおいて剛性が低い場合には、ダンピング性能が低くなってしまう問題があった。

そこで、本発明は、前記する背景に鑑みて創案された発明であって、回転体の回転が低速であっても回転体との間に高圧の気体膜を介在させることができ、かつ、ダンピング性能に優れたスラストフォイル軸受を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明のスラストフォイル軸受は、回転する軸を支持する軸受であって、環状の軸受本体と、前記軸受本体と前記回転する軸の間に配置され、軸受面を構成する複数のトップフォイルと、前記軸受本体と各トップフォイルとの間に介在する複数のバンプメッシュフォイルと、を備え、前記バンプメッシュフォイルは、２つ以上の網状体を積層した網状積層体であり、起伏を繰り返す形状となっていることを特徴とする。

このような構成とされたスラストフォイル軸受のバンプメッシュフォイルは、剛性の低い網状体を積層して成る網状積層体により構成されるため、その網状体の積層数を調整することで、金属板から成る従来のバンプフォイルよりも剛性を低く設定することができる。この結果、回転体の回転が低速な場合でも、つまり、くさび状隙間に発生する圧力が低い場合でも、バンプメッシュフォイルが収縮して回転体との間に気体膜が介在し、回転体に作用する摩擦力が低減する。

また、前記構成によれば、回転体の回転に伴う振動がバンプメッシュフォイルに伝達すると、網状体を構成する線材同士が擦れるとともに、積層された網状体同士でも擦れる。このため、バンプメッシュフォイルに入力された振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、振動エネルギーが減衰する。以上から、回転体の支持を安定して行うことができる。

また、前記発明において、前記バンプメッシュフォイルは、前記回転する軸の軸方向一方側へ突出する第１凸部と、前記軸方向他方側へ突出する第２凸部と、を有し、前記第１凸部と前記第２凸部とが交互に設けられていてもよい。

前記構成によれば、回転体の回転に伴う振動がバンプメッシュフォイルに伝達すると、バンプメッシュフォイルが下方に押し潰されて周方向に伸縮（変形）する。そして、第１凸部と第２凸部は、軸受本体の上端面とトップフォイルの下面とのそれぞれと擦れる。この結果、第１凸部と第２凸部に入力された振動エネルギーは、熱エネルギーに変換されて減衰することができる。
また、回転体の回転によって、熱エネルギーを多めに放出する回転体である場合に、バンップメッシュフォイルに第１凸部と第２凸部があることで、気体が通過する空間が増えることから、回転体の回転による熱ネルギーを冷却する効果が高まる。

また、前記発明において、前記バンプメッシュフォイルは、前記軸受本体及び前記トップフォイルの一方に向って突出する凸部と、前記軸受本体及び前記トップフォイルの他方に沿って延在する平板部と、を有し、前記凸部と前記平板部とが交互に設けられていてもよい。

前記構成によれば、回転体の回転に伴う振動がバンプメッシュフォイルに伝達すると、バンプメッシュフォイルが下方に押し潰されて周方向に伸縮（変形）する。そして、凸部はトップフォイルの下面と擦れ合い、平板部は軸受本体の上端面に擦れ合う。この結果、凸部と平板部に入力された振動エネルギーは、熱エネルギーに変換されて減衰することができる。
また、回転体の回転に伴い、振動が激しい場合に、バンプメッシュフォイルの平板部は擦れ合う面積が大きいことから、振動エネルギーを熱エネルギーに変換する効率が高まる。また、凸部が変形することで、回転体を保護する効果が得られる。更に、片側を平板部とすることで、軸受の厚みを薄くする効果も得られる。

また、前記発明において、前記軸受本体と前記バンプメッシュフォイルの間には、前記バンプメッシュフォイルを固定するためのスペーサが設けられ、前記バンプメッシュフォイルの端部には、前記スペーサに固定される平板状の固定部が設けられていることが好ましい。

前記構成によれば、スペーサが設けられるため、バンプメッシュフォイルの下面と軸受本体の上端部の間に空間が生じ、バンプメッシュフォイルの固定が容易になる。さらに、回転体の回転に伴う振動がバンプメッシュフォイルに伝達した際に、バンプメッシュフォイルの伸縮（変形）の自由度が増し、固定部が破損し難くなる。

また、従来のバンプフォイルによれば、バンプフォイルに負荷がかかると、起伏を繰り返す形状部分と固定部とを接合する接合部に応力が集中し破損し易かった。一方で、前記構成によれば、上記したように振動エネルギーが大きく減衰するため、接合部に集中する応力が低減する。よって、接合部が破損し難く、スラストフォイル軸受の耐久性が向上する。

本発明によれば、回転体の回転が低速であっても回転体との間に高圧の気体膜を介在させることができ、かつ、ダンピング性能に優れたスラストフォイル軸受を提供することができる。

本発明の実施形態に係るマイクロガスタービンを一部拡大し、断面にして示す断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係るスラストフォイル軸受において、４つのトップフォイル１０のうち１つ取り外した状態を上方から視た平面図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係るスラストフォイル軸受において、トップフォイル及びバンプメッシュフォイルを取り外した状態を上方から視た平面図である。 （ａ）は本発明の実施形態においてタービンが回転していない場合のスラストフォイル軸受を図２（ａ）のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線で切った断面を展開した展開図であり、（ｂ）はタービンが回転している場合のスラストフォイル軸受を図２（ａ）のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線で切った断面を展開した展開図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る金属製のメッシュを上方から視た平面図であり、（ｂ）はメッシュの一部を拡大した斜視図であり、（ｃ）は網状積層体の製造工程を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るバンプメッシュフォイルを形成するための金型の断面を模式的に示した模式図である。 実施例に係る実験装置の全体構成を示す模式図である 実施例１の弾性特性試験結果を示すグラフである。 比較例１の弾性特性試験結果を示すグラフである。 比較例２の弾性特性試験結果を示すグラフである。 実施例１と比較例１と比較例２における摩擦係数の平均値と、導通確認結果と、潤滑状態評価とをまとめた表である。 実施例１と比較例１と比較例２における摩擦係数の平均値のグラフである。 実施例１と比較例１と比較例２における温度測定結果を示すグラフである。 第１変形例のスラストフォイル軸受の断面図である。 （ａ）は第２変形例のバンプメッシュフォイルを上方から視た平面図であり、（ｂ）は第３変形例のバンプメッシュフォイルを上方から視た平面図であり、（ｃ）は第４変形例のバンプメッシュフォイルを上方から視た平面図である。

次に本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
実施形態の説明では、スラストフォイル軸受がマクロガスタービンに適用された例を挙げて説明する。ただし、本発明が適用される機器・装置の範囲は、これに限定されず、ヘリウム液化機やカラーコピー機用ポリゴンミラーなどであってもよく、特に限定されない。また、参照する各図はいずれも模式的なものであり、本発明は図示の例に何ら制限されるものではない。

（マイクロガスタービン）
図１に示すように、マイクロガスタービン１００は、上下に貫通する軸孔１１１が形成されたケーシング１１０と、軸孔１１１内に配置された回転軸１２０と、回転軸１２０の上側と連続し図示しない羽根を有するタービン（回転体）１３０と、タービン１３０を回転させる高温・高圧のガスを生成する燃焼器（不図示）と、回転軸１２０の下側と連続する発電機（不図示）と、を備えている。
なお、高温・高圧のガスによりタービン１３０が回転する方向は、平面視で左回り方向となっている（図１又は図２（ａ）の矢印Ａ参照）。

（スラストフォイル軸受１）
ケーシング１１０の軸孔１１１の上開口部１１２には、スラストフォイル軸受１が設けられている。
スラストフォイル軸受１は、タービン１３０が回転していない場合、タービン１３０の底面１３１に当接した状態でタービン１３０を下方から支持する部品である。

図２（ａ）は、４つのトップフォイル１０のうち１つ取り外され、バンプメッシュフォイル２０が視認可能な状態を示している。
図２（ａ），（ｂ）に示すように、スラストフォイル軸受１は、ケーシング１１０に固定される環状の軸受本体２と、軸受本体２の上端面２ａに設けられた４つのトップフォイル１０と、軸受本体２と各トップフォイル１０との間に介在する４つのバンプメッシュフォイル２０と、を備えている。

（軸受本体）
図２（ｂ）に示すように、軸受本体２は、内径ｒ１が２ｍｍ〜５０ｍｍであり、外径ｒ２が５ｍｍ〜２００ｍｍの金属製の部品である。
軸受本体２の上端面２ａには、トップフォイル１０を固定するための第１スペーサ３と、バンプメッシュフォイル２０を固定するための第２スペーサ４と、が設けられている。
第１スペーサ３と第２スペーサ４のそれぞれは、軸受本体２の上端面２ａ上において径方向に延在する直方体状の部品である。
第１スペーサ３と第２スペーサ４のそれぞれは、周方向に９０°間隔で配置されている。第１スペーサ３と第２スペーサ４の角度差θ１は、２０°であり、第２スペーサ４が第１スペーサ３よりも回転方向（左回り方向）に２０°ずれている。

（トップフォイル）
図２（ａ）に示すように、トップフォイル１０は、平面視で回転軸Ｏを中心とする円弧状に形成されている。以下、トップフォイル１０において、回転軸Ｏの右回り方向の端部を単に右端１１と称し、回転軸Ｏの左回り方向の端部を単に左端１２と称する。
トップフォイル１０において右端１１から左端１２までの角度θ２は、例えば略８０°となっている。
図３（ａ）に示すように、トップフォイル１０は、厚さ１０μｍ〜１０００μｍ程度の金属製薄板（薄膜）であり、可撓性を備えている。
トップフォイル１０の材料としては、リン青銅、ステンレス、インコネルなどが挙げられる。
トップフォイル１０は、右端１１側が第１スペーサに固定され、左端１２側が自由端となっている。

トップフォイル１０において上方から視てバンプメッシュフォイル２０と重なっている領域は、下方からバンプメッシュフォイル２０に支持されて平坦面を形成し、タービン１３０を支持する軸受面１５を構成している。
また、トップフォイル１０において右端１１から軸受面１５までの領域は、回転方向に向って次第にタービン１３０側に傾斜する傾斜面１６を構成している
そして、トップフォイル１０の傾斜面１６とタービン１３０の底面１３１との間には、回転軸Ｏの回転方向に向って間隔が狭くなる隙間、つまり、くさび状隙間Ｓが形成されている。

（バンプメッシュフォイル）
図２（ａ）に示すように、バンプメッシュフォイル２０は、平面視で回転軸Ｏを中心とする円弧状（扇状）に形成されている。以下、バンプメッシュフォイル２０において、回転軸Ｏの右回り方向の端部を単に右端２１と称し、回転軸Ｏの左回り方向の端部を単に左端２２と称する。
バンプメッシュフォイル２０において右端２１から左端２２までの角度θ３は、例えば略６０°となっており、トップフォイル１０よりも周方向の長さが短くなるように形成されている。
図３（ａ）に示すように、バンプメッシュフォイル２０は、第２スペーサ４に接着剤により固定される平板状の固定部２３と、固定部２３から周方向左回りに延びてトップフォイル１０の軸受面１５を支持する支持部２４と、を備えている。なお、固定部２３と支持部２４とを接合する部分を接合部２５と称する。
なお、本実施形態のバンプメッシュフォイル２０は、第２スペーサ４に固定されているため、バンプメッシュフォイル２０の下面と軸受本体２の上端面２ａとの間に空間を生じさせることができ、バンプメッシュフォイル２０の固定が容易となっている。

支持部２４は、トップフォイル１０を介してタービン１３０を支持するための部位である。支持部２４は、上下方向（回転軸Ｏ）への起伏を繰り返す波状に形成されている。
詳細には、支持部２４は、上方（回転軸Ｏの一方側）に突出する円孤状の第１凸部２４ａと下方（回転軸Ｏの他方側）に突出する円孤状の第２凸部２４ｂと、を備えている。また、第１凸部２４ａと第２凸部２４ｂとが回転方向へ交互に設けられている。
また、支持部２４の第２凸部２４ｂは軸受本体２の上端面２ａに当接し、一方で、第１凸部２４ａはトップフォイル１０の軸受面１５に当接している。

ここで、タービン１３０から支持部２４に上下方向への振動が伝達した場合、支持部２４は、下方に押し潰されて周方向に伸縮（変形）する。そして、第１凸部２４ａと第２凸部２４ｂは、軸受本体２の上端面２ａとトップフォイル１０の下面とのそれぞれと擦れる（図３（ａ）の矢印Ｂ参照）。この結果、支持部２４に入力された振動エネルギーは、熱エネルギーに変換されて減衰する。
また、支持部２４は、第１凸部２４ａと第２凸部２４ｂを波状に形成されているため、気体が通過する空間との接触面積が大きい。よって、熱エネルギーを放出し易く、冷却性に優れる。
また、バンプメッシュフォイル２０は第２スペーサ４に固定されているため、タービン１３０からに上下方向への振動が伝達した場合、バンプメッシュフォイル２０の伸縮（変形）の自由度が増しており、固定部２３及び接合部２５が破損し難くなっている。

図４（ａ）に示すように、バンプメッシュフォイル２０は、円弧状の金属製のメッシュ（網状体）３０を３つ積層させて成るメッシュ積層体（網状積層体）３０Ａにより構成されている。

図４（ｂ）に示すように、金属製のメッシュ３０は、格子状に配置された縦方向の線材３１と横方向の線材３２とを交互に交差させることで形成されている。
線材の径は、例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍである。また、線材間の隙間は、例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
なお、線材３１と横方向の線材３２を構成する材質の種類として、銅、ステンレス、アルミ合金などが挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
図４（ａ）に示すように、メッシュ３０における一端３３から他端３４までの角度θ４は１８０°である。そして、メッシュ３０を６０°間隔となるＭ１，Ｍ２の位置で折り曲げることで、３層構造のメッシュ積層体３０Ａが形成される。
なお、メッシュ３０において一端３３から６０°までの領域が第１層３５を構成し、６０°から１２０°までの領域が第２層３６を構成し、１２０°から他端３４までの領域が第３層３７を構成している。

次に、支持部２４を形成するため、図５に示すように、メッシュ積層体３０Ａを上金型５０と下金型５１の間に配置する。なお、上金型５０と下金型５１には、支持部２４を形成するための波状の波状凸部５２と、固定部２３を形成するための平坦部５３と、が形成されている。
そして、図示しないプレス機で上金型５０と下金型５１を閉じると、波状の支持部２４と平板状の固定部２３とが形成され、メッシュ積層体３０Ａがバンプメッシュフォイル２０を構成するようになる。

ここで、バンプメッシュフォイル２０の剛性は、一枚の金属板を波状に成形して成る従来のバンプフォイルの剛性よりも低く設定されている。
言い換えると、バンプメッシュフォイル２０は、剛性の低い金属製のメッシュ３０を積層させることで、タービン１３０の支持に必要な剛性以上であり、かつ、従来のバンプフォイルの剛性未満となっている。
つまり、従来のバンプフォイルは、一枚の金属板からなるため、剛性を低く設定することが難しかったが、本実施形態の積層構造によれば、低剛性のメッシュ３０の積層数を調整することで、バンプメッシュフォイル２０の低剛性化を達成することができる。

なお、バンプメッシュフォイル２０は、上記した範囲の剛性に設定できれば、線材の径、線材間の隙間、支持部２４の厚さ、支持部２４の１つの波形当たりの長さ、メッシュ３０の積層数など、本発明において特に限定されない。

また、上記したバンプメッシュフォイル２０によれば、タービン１３０の上下方向の振動が伝達し支持部２４が変形（伸縮）すると、縦方向の線材３１と横方向の線材３２とが交点３８（図３（ｂ）参照）で擦れる。このため、支持部２４に入力された振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、振動エネルギーが減衰する。
さらに、支持部２４が変形（伸縮）すると、メッシュ３０の第１層３５と第２層３６と第３層３７とのそれぞれが隣り合う層と擦れる。このため、支持部２４に入力された振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、さらに振動エネルギーが減衰する。
以上から、実施形態のバンプメッシュフォイル２０は、入力した振動エネルギーを大きく減衰させることができ、ダンピング性能（減衰性能）に優れている。

次にスラストフォイル軸受１の動作について説明する。
タービン１３０が回転すると、タービン１３０の周囲の気体がくさび状隙間Ｓに引き込まれる。また、くさび状隙間Ｓ内の気体は、タービン１３０の回転により、回転方向に移動する（図３（ａ）の矢印Ｃ１参照）。このため、タービン１３０の回転数が上昇するにつれて、くさび状隙間Ｓの先端側の気体の圧力が上昇する。

くさび状隙間Ｓの先端側の気体の圧力がバンプメッシュフォイル２０の支持部２４の剛性を上回ると、支持部２４は下側に押し潰される。
つまり、図３（ｂ）に示すように、トップフォイル１０の軸受面１５とタービン１３０の底面１３１との間に高圧の気体が入り込むようになる（図３（ａ）の矢印Ｃ２参照）。
このため、トップフォイル１０とタービン１３０との間には、潤滑流体である高圧の気体膜が介在し、タービン１３０の回転が潤滑となる。

また、上記したように、本実施形態のバンプメッシュフォイル２０の剛性は従来のバンプフォイルよりも低く設定されている。よって、くさび状隙間Ｓの先端側の気体の圧力が比較的低い低速回転時であっても、バンプメッシュフォイル２０が変形して高圧の気体膜が介在するようになり、タービン１３０の回転が潤滑となる。

以上、実施形態のスラストフォイル軸受１によれば、タービン１３０の回転が低速時であってもタービン１３０を接触することなく支持することができ、タービン１３０に作用する摩擦力が低減する。また、ダンピング性能に優れるため、タービン１３０の回転の安定化を図れる。

さらに、バンプメッシュフォイル２０は、メッシュ３０から成るため、空気との接触面積が大きく放熱性に優れる。よって、熱エネルギーによって生じた熱が大気中に放熱され易い。このため、バンプメッシュフォイル２０の経年変化が抑制され、スラストフォイル軸受１の耐久性が向上する。

また、支持部２４に振動が伝達すると、第２スペーサ４に固定された固定部２３と支持部２４とを接合する接合部２５に応力が集中し易い構造になっているものの、本実施形態によれば、支持部２４により入力された振動エネルギーが大きく減衰する。このため、接合部２５に集中する応力も低減し、バンプメッシュフォイル２０の耐久性が向上する。

（実施例）
次に、本発明の効果を確認した実施例１を比較例１，比較例２と対比して具体的に説明する。

（実施例１）
実施例１に係るスラストフォイル軸受は、内径が１２．８ｍｍ、外径が３０．０ｍｍの軸受本体を使用した。軸受本体の端面上に設けたトップフォイルとバンプメッシュフォイルは、それぞれ４つずつである。
トップフォイルは、厚みが０．１ｍｍ、内径が１４．５ｍｍ、外径が３０．０ｍｍ、右端から左端までの角度が８２°に形成されている。

実施例１に係るバンプメッシュフォイルのメッシュ積層体は、３層構造であり、内径ｒが１５．３ｍｍ、外径が２９．５ｍｍのものを使用した。
メッシュ積層体を構成する金属製のメッシュは、線材の材質がリン青銅であり、線材の直径が０．３５ｍｍ、隙間（線材同士の間隔）が１．４６ｍｍのものを使用した。

実施例１に係るバンプメッシュフォイルの支持部は、図５に示すように、メッシュの３層構造を上金型５０と下金型５１との間に配置し、プレス機で５秒間、０．８ＭＰａの圧力をかけることで形成した。
図５に示すように、波状凸部５２を構成する一つの波形の長さＬ１は２．８ｍｍである。波状凸部５２の深さＬ２は０.６７５ｍｍ（上側の波状凸部５２と下側の波状凸部５２とを併せた場合の上下方向の長さは１．３５ｍｍ）である。

比較例１と比較例２において、軸受本体とトップフォイルとは実施例１と同じものを使用した。一方で、比較例１と比較例２は、バンプメッシュフォイルと異なるものを使用した。以下、比較例１と比較例２については相違点に絞って説明する。

（比較例１）
比較例１は、バンプメッシュフォイルの代わりにバンプフォイルを使用した。
バンプフォイルは、一枚の金属板（材質はリン青銅、厚みは０．１ｍｍ）を上金型５０と下金型５１との間に配置し、プレス機で５秒間、０．８ＭＰａの圧力をかけて支持部を形成した。
なお、比較例１のバンプフォイルの内径と外径は、実施例１のバンプメッシュフォイルと同じである。また、バンプフォイルの上下方向の厚みが１．３５ｍｍである。

（比較例２）
比較例２は、バンプメッシュフォイルの代わりにメッシュフォイルを使用した。
メッシュフォイルは、金属製のメッシュを折り曲げて３層にし、その後、凹凸が形成されていない平面状の金型でプレスすることで形成した。よって、メッシュフォイルは、メッシュフォイルの支持部は平板状に形成されている。
なお、比較例２のメッシュフォイルの内径と外径は、実施例１のバンプメッシュフォイルと同じである。また、メッシュフォイルの上下方向の厚みは、１．５ｍｍである。

（実験装置）
次に、実験に用いた装置６０を説明する。
図６に示すように、装置６０は、土台部６１上に設置されたロータ６２と、ロータ６２の上方に配置されてスラストフォイル軸受６３を着脱自在に支持するステータ６４と、ステータ６４を吊り下げる吊り下げ装置６５と、ステータ６４と吊り下げ装置６５との間に介在する静圧空気軸受６６と、ステータ６４の外周面に接続するテンションゲージ６７と、テスタ（不図示）と、を備えている。

吊り下げ装置６５は、ステータ６４を上下方向に変位可能に吊るし下げている。このため、ステータ６４を下方に移動させて、スラストフォイル軸受６３とロータ６２を接触させたり、その接触時においてスラストフォイル軸受６３に作用する負荷を変更したりすることができる。
また、吊るし下げ装置６５には、ステータ６４の上下方向の変位量を測定するためのマイクロメータ６８と、ステータ６４（スラストフォイル軸受６３）に作用する負荷を測定するためのロードセル６９と、が設けられている。

静圧空気軸受６６には、上下方向に貫通する貫通孔６６ａが形成され、その貫通孔６６ａ内にステータ６４が配置されている。貫通孔６６ａは、ステータ６４の径よりも大径に形成されており、貫通孔６６ａの内周面とステータ６４の外周面との間に隙間が形成されている。また、隙間には、ステータ６４の中心軸がずれないようにするため、高圧の空気層が発生している。
以上から、静圧空気軸受６６は、ステータ６４を左右方向及び前後方向に位置ずれすることなく、回転可能に支持している。このため、ロータ６２の回転力がスラストフォイル軸受６３に伝達すると、ステータ６４が回転する。
なお、静圧空気軸受６６は、高圧の空気層を形成するため、隙間に空気を送り込むための供給路６６ｂ、隙間の空気を循環させるための循環路６６ｃ、並びに空気を送り込んだり循環させたりするための図示しない送風機などが設けられている。

テンションゲージ６７は、ステータ６４の回転トルクを測定するためのものであり、静圧空気軸受６６よりも上方に突出しているステータ６４のフランジ部６４ａに連結している。なお、ステータ６４の回転トルクＴは、下記式（１）により求められる。

Ｔ［Ｎ・ｍ］ ＝ ｒ１［ｍ］ × Ｆ［Ｎ］ ・・・式（１）

Ｔ：ステータ６４の回転トルク
ｒ１：ステータ６４のフランジ部６４ａの半径
Ｆ：テンションゲージに測定された力

なお、ステータ６４とスラストフォイル軸受６３は一体であり、ステータ６４の回転トルクＴとスラストフォイル軸受６３の回転トルクＴは同じである。よって、ステータ６４の回転トルクＴの他に、さらにロードセル６９によりスラストフォイル軸受６３に作用する負荷を求めると、下記式（２）によりスラストフォイル軸受６３の摩擦係数μを求めることができる。

μ ＝ Ｔ［Ｎ・ｍ］ ÷ （Ｎ［Ｎ］ × ｒ２［ｍ］） ・・・式（２）

Ｔ：ステータ６４の回転トルク（スラストフォイル軸受の回転トルク）
Ｎ：スラストフォイル軸受に作用する負荷
ｒ２：スラストフォイル軸受の半径

また、ステータ６４の内部には、スラストフォイル軸受６３とロータ６２の距離を測定するための渦電流式の被接触変位計７０と、スラストフォイル軸受６３近傍の温度を測定するための熱電対７１と、が設けられている。

テスタ（本体については図示しない）は、一方の接続端子７２がロータ６２に接続され、他方の接続端子７３が静圧空気軸受にしている。これによれば、ロータ６２とステータ６４との電気的接続がしているか否か、言い換えると、ロータ６２とスラストフォイル軸受６３との間に高圧の空気膜が形成されて絶縁しているか否かを確認することができる。

（弾性特性実験）
実施例１、比較例１、比較例２の弾性特性を調べるため、次のような実験を行った。
まず、無回転状態のロータ６２にスラストフォイル軸受６３を接触させた（マイクロメータ６８の値が０μｍを示している）。
次に、この状態からステータ６４を次第に下降させ（スラストフォイル軸受６３に作用する負荷を次第に増加させ）、スラストフォイル軸受６３の変位量を測定した。なお、この場合、マイクロメータ６８の値が２５０μｍとなるまでステータ６４を下降させた。
次に、ステータ６４を次第に上昇させ（スラストフォイル軸受６３に作用する負荷を次第に減少させ）、スラストフォイル軸受６３の変位量を測定した。なお、この場合、マイクロメータ６８の値が０μｍとなるまで上昇させた。
ステータ６４の一回当たりの移動距離（下げ幅及び上げ幅）は、２μｍである。
スラストフォイル軸受６３を含むステータ６４の荷重は１５Ｎである。
実施例１と比較例１と比較例２の測定結果を図７−図９に示す。

図７−図９に示すように、実施例１と比較例１と比較例２のそれぞれにおいて、ヒステリシスループを描いている。つまり、実施例１と比較例１と比較例２のそれぞれは、加荷重時（ステータ６４の下降時）の変位量よりも、除荷重時（ステータ６４の上昇時）の変位量の方が小さくなり、ヒステリシス特性を有していることが分かった。

また、実施例１と比較例１と比較例２のうち最も実施例１が、加荷重時の変位量と除荷重時の変位量との差が最も大きいことが分かった。
これは、実施例１では、メッシュを構成する縦方向の線材と横方向の線材とが擦れたこと、メッシュの各層同士で擦れたこと、バンプメッシュフォイルと軸受本体とが擦れたこと、バンプメッシュフォイルとトップフォイルとが擦れたこと、のそれぞれにより、軸受構造内の摩擦が大きく生じたためと考えられる。つまり、軸受に振動が発生した際には振動エネルギーが摩擦により熱エネルギーに変換し、大きく減衰するものと考えられる。
この結果から、実施例１は、入力した振動エネルギーを減衰させるダンピング性能（減衰性能）が比較例１と比較例２よりも優れているといえる。

（摩擦係数測定、導通確認及び温度測定）
次に、実施例１と比較例１と比較例２において、次のような実験を行った。
まず、無回転状態のロータ６２にスラストフォイル軸受６３を接触させた。なお、この状態でスラストフォイル軸受６３に作用する負荷は１５Ｎとした。
次に、その状態からロータ６２を回転させた。ロータ６２は、０ｒｐｍから５０００ｒｐｍずつ上昇させ、最大３００００ｒｐｍまで上昇させた。
そして、ロータ６２の回転数を上昇させる度に、ステータ６４に作用している回転力をテンションゲージ６７により測定した。併せて、テスタによる導通確認と、及び熱電対７１による温度測定を行った。

上記実験は、実施例１と比較例１と比較例２のそれぞれ３回ずつ行った。
そして、テンションゲージ６７に測定した回転力Ｆと、上記式（１）（２）とからスラストフォイル軸受６３の摩擦係数μの平均値を算出した。
実施例１と比較例１と比較例２について、摩擦係数μの平均値と、テスタによる導通確認結果と、潤滑状態の評価と、をまとめた表を図１０に示す。
なお、図１０において、○は常時絶縁状態、△は絶縁状態と導通状態とが交互に生じている状態、×は常時導通状態を示す。
また、実施例１と比較例１と比較例２について、摩擦係数μの平均値をグラフ化したものを図１１に示す。
実施例１と比較例１と比較例２について、温度測定の平均値をグラフ化したものを図１２に示す。

図１０、図１１に示すように、実施例１と比較例１と比較例２とは、ロータ６２の回転数が上昇する度に摩擦係数μが減少していることが分かった。
これは、ロータ６２の回転数が少ない低回転領域では、トップフォイルとロータ６２とが接触する金属接触と高圧の空気膜との両方でステータ６４の荷重を支えている混合潤滑状態となっているが、ロータ６２の回転数増加に伴って、高圧の空気膜によって支持される領域が次第に拡大していることを示している。

ロータ６２の回転数が２５０００ｒｐｍと３００００ｒｐｍの場合、実施例１の摩擦係数μは、比較例１と比較例２よりも極めて低い値を示した。
図１０に示すように、実施例１は、ロータ６２の回転数が２００００ｒｐｍ〜３００００ｒｐｍの場合、ロータ６２とステータ６４とが導通していないことが確認できた。
一方で、比較例１は、回転数が３００００ｒｐｍの時点からロータ６２とステータ６４とが導通していないことが確認できた。
また、比較例２は、回転数が３００００ｒｐｍとなっても、ロータ６２とステータ６４とが導通していないことは確認できなかった。
以上の結果から、実施例１は、比較例１よりもロータ６２の回転数が低い領域で流体潤滑状態となり、ロータ６２を接触することなく支持できることが分かった。

図１２に示すように、実施例１と比較例１と比較例２のそれぞれは、ロータ６２の回転数の上昇に伴って温度が上昇している。これは、回転数の上昇によりロータ６２とトップフォイルとの摺接速度が増加するためと考える。
一方で、実施例１は、回転数が２００００ｒｐｍの時点で温度上昇量が最大値となり、回転数が２５０００ｒｐｍ、３００００ｒｐｍと増加すると次第に減少している。これは、回転数の上昇により高圧の空気膜が形成されて摩擦係数が減少したため、と考える。
また、回転数が２５０００ｒｐｍ、３００００ｒｐｍの時点で、実施例１、比較例２は、比較例１よりも温度上昇が抑えられていることが分かった。これは、実施例１、比較例２は、金属製のメッシュにより形成され、放熱性が高いためと考える。
この結果から、実施例１及び比較例２は、放熱性に優れるため、経年変化が抑制されてスラストフォイル軸受の耐久性の向上を図れることが分かった。

以上、実施形態と実施例について説明したが、本発明は実施形態及び実施例に示したものに限定されない。
例えば、第１凸部２４ａと第２凸部２４ｂとは、周方向に交互に配置されているが、径方向に交互に配置されてもよく、特に限定されない。
また、支持部２４を構成する第１凸部２４ａ及び第２凸部２４ｂの波形（形状）は、円弧状であったが、三角状又は矩形状であってもよく、特に限定さない。
また、実施形態の支持部２４は、第１凸部２４ａと第２凸部２４ｂとが交互に配置されて波状となっているが、例えば、図１３に示すような支持部２４Ａであってもよい。
詳細に説明すると、変形例の支持部２４Ａは、軸受本体２からトップフォイル１０に向って突出してタービン１３０から伝達される振動に対し変形する凸部２４ｃと、軸受本体２に沿って延在する平板部２４ｄとを有し、凸部２４ｃと平板部２４ｄとが交互に設けられている。このような変形例のバンプメッシュフォイル２０Ａであっても、実施形態と同等な作用効果を得られる。
そのほかに、平板部２４ｄは、擦れ合う接触面積が凸部２４ｃよりも大きいため、振動エネルギーから熱エネルギーに変換される効率を向上させることができる。また、支持部２４に平板部２４ｄを形成することで、軸受本体２の厚みを薄くすることができる。

また、実施形態のバンプメッシュフォイル２０は、平面視で円弧状（扇状）に形成されているが、平面視で長方形状や台形状であってもよい。
また、図１４（ａ）に示すように、バンプメッシュフォイル２０Ｂに周方向に延在するスリット２６を３つ形成し、支持部２４Ｂを径方向に分割してもよい。
これによれば、支持部２４Ｂは、内周側から外周側に向って順に配置された第１支持部１２１、第２支持部１２２、第３支持部１２３、第４支持部１２４により構成される。また、第１支持部１２１〜第４支持部１２４のそれぞれが固定部２３に連結した状態となる。そして、タービン１３０の振動が伝達した場合、振動エネルギーは、第１支持部１２１〜第４支持部１２４のそれぞれに入力され、第１支持部１２１〜第４支持部１２４のそれぞれが振動エネルギーを熱エネルギーに変換する。
なお、スリット２６は、網状積層体３０Ａを形成しプレスした後にレーザ加工により形成したり、又は、最初にメッシュ３０にレーザ加工により形成したりしてもよい。また、スリット２６の形成方法方は、レーザ加工に限定されない。

そのほか、実施形態では、一つのトップフォイル１０を支持するため、一つのバンプメッシュフォイル２０を用いているが、これに限定されない。
図１４（ｂ）に示すように、実施形態のバンプメッシュフォイル２０よりも径方向の幅が小さいバンプメッシュフォイル２０Ｃを径方向に並べ、この複数のバンプメッシュフォイル２０Ｃにより一つのトップフォイル１０を支持してもよい。

また、実施形態のバンプメッシュフォイル２０は、スペーサ４を基準として、周方向に延在しているが、軸受本体２の内周側（又は外周側）にスペーサ４を設け、このスペーサ４からバンプメッシュフォイル２０を外周側（又は内周側）に延在するように固定してもよい。
この場合において、特に図示しないが、バンプメッシュフォイルに対し径方向に延在するスリットを形成して支持部を複数に分割したり、又は図１４（ｃ）に示すように、周方向に複数のバンプメッシュ２０Ｄを並べて、各バンプメッシュ２０Ｄの内周側の端部をスペーサ４に固定したりしてもよい。
なお、このような場合、バンプメッシュ２０Ｄの支持部２４Ｄの起伏は、内周側から外周側に向って第１凸部２４ａと第２凸部２４ｂが交互に並ぶようになる。

また、実施形態では、４組のトップフォイル１０及びバンプメッシュフォイル２０を周方向に等間隔（９０°間隔）で配置しているが、本発明は等間隔で配置してなくてもよい。ただし、実施形態のようにトップフォイル１０及びバンプメッシュフォイル２０を等間隔に配置した方が回転体であるタービン１３０の支持が安定するため、好ましい。
また、トップフォイル１０及びバンプメッシュフォイル２０の個数についても、実施形態及び実施例で示した４つに限定されず、トップフォイル１０及びバンプメッシュフォイル２０が少なくても２つ以上あればよい。
ただし、実施形態の方に、トップフォイル１０及びバンプメッシュフォイル２０が３つ以上の方が回転体であるタービン１３０の支持が安定し、好ましい。

また、バンプメッシュフォイルにおける金属製のメッシュの積層数についても３つに限定されない。回転体を支持できる剛性以上を備えるようにするため、積層数は少なくても２つ以上であればよい。
また、実施形態では、一枚のメッシュ３０を６０°間隔で折り曲げることで、網状積層体３０Ａを形成しているが、メッシュ３０を６０°間隔で切り離し、それぞれを重ね合わせることで網状積層体３０Ａを形成してもよい。

また、実施形態は、線材３１、３２が格子状に配置されたメッシュ３０を用いているが、網状体の織り方は、格子状に限定されない。つまり、本発明において、振動が伝達し変形した場合に線材同士が擦れて、振動エネルギーを熱エネルギーに変換することができればよく、格子状以外の織り方であってもよい。
また、実施形態では、左回り用のスラストフォイル軸受１に適用した例を挙げているが、本発明は、右回り用のスラストフォイル軸受に適用してもよい。

１ スラストフォイル軸受
２ 軸受本体
３ 第１スペーサ
４ 第２スペーサ
１０ トップフォイル
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ バンプメッシュフォイル
２３ 固定部
２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ 支持部
２５ 接合部
３０ メッシュ（網状体）
３０Ａ 網状積層体
３１ 線材
３２ 線材
６１ 土台部
６２ ロータ
６３ スラストフォイル軸受
６４ ステータ
６５ 装置
６６ 静圧空気軸受
６７ テンションゲージ
７０ 被接触変位計
７１ 熱電対
１００ マイクロガスタービン
１３０ タービン
Ｓ くさび状隙間

Claims (4)

1. 回転する軸を支持する軸受であって、
   環状の軸受本体と、
   前記軸受本体と前記回転する軸の間に配置され、軸受面を構成する複数のトップフォイルと、
   前記軸受本体と各トップフォイルとの間に介在する複数のバンプメッシュフォイルと、
   を備え、
   前記バンプメッシュフォイルは、２つ以上の網状体を積層した網状積層体であり、起伏を繰り返す形状となっていることを特徴とするスラストフォイル軸受。
2. 前記バンプメッシュフォイルは、
   前記回転する軸の軸方向一方側へ突出する第１凸部と、
   前記軸方向他方側へ突出する第２凸部と、
   を有し、
   前記第１凸部と前記第２凸部とが交互に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスラストフォイル軸受。
3. 前記バンプメッシュフォイルは
   前記軸受本体及び前記トップフォイルの一方に向って突出する凸部と、
   前記軸受本体及び前記トップフォイルの他方に沿って延在する平板部と、
   を有し、
   前記凸部と前記平板部とが交互に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスラストフォイル軸受。
4. 前記軸受本体と前記バンプメッシュフォイルの間には、前記バンプメッシュフォイルを固定するためのスペーサが設けられ、
   前記バンプメッシュフォイルの端部には、前記スペーサに固定される平板状の固定部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスラストフォイル軸受。

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