JP2019157889A - ラジアルフォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】装置に大きな外力が作用したとき、シャフトの変位を抑制する。【解決手段】ラジアルフォイル軸受３は、シャフトが挿通される挿通孔１２ａを有する軸受ハウジング１２と、挿通孔１２ａの内周面に配置されるバックフォイル１１と、バックフォイル１１に支持されるトップフォイル９と、挿通孔１２ａの内周面から挿通孔１２ａの径方向内側に向かって突出し、トップフォイル９を支持可能な突出部４０と、を備える。【選択図】図９

Description

本開示は、ラジアルフォイル軸受に関するものである。

従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に外挿されて用いられるラジアルフォイル軸受が知られている。このようなラジアルフォイル軸受としては、軸受面を形成する薄板状のトップフォイルと、このトップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルと、これらトップフォイル及びバックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備えた構成がよく知られている。ラジアルフォイル軸受のバックフォイルとしては、薄板を波板状に成形したバンプフォイルが主として用いられている（例えば下記特許文献１参照）。

特開２０１３−１００８８５号公報

このようなラジアルフォイル軸受は、軸受ハウジング内が柔らかいフォイルで構成されているため、外力に対するシャフトの変位が大きい。したがって、ラジアルフォイル軸受を搭載した装置が強い外乱に晒されても、装置本体側(静止側)にシャフトが接触しないように、シャフトの変位を抑制する必要がある。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、装置に大きな外力が作用したとき、シャフトの変位を抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本開示のラジアルフォイル軸受は、シャフトが挿通される挿通孔を有する軸受ハウジングと、前記挿通孔の内周面に配置されるバックフォイルと、前記バックフォイルに支持されるトップフォイルと、前記挿通孔の内周面から前記挿通孔の径方向内側に向かって突出し、前記トップフォイルを支持可能な突出部と、を備える。

また、本開示においては、前記バックフォイルは、前記突出部が嵌合される孔部を備えてもよい。

また、本開示においては、前記突出部は、前記挿通孔の軸方向中央位置より±５％の範囲の軸方向位置に頂壁部を備えてもよい。

また、本開示においては、前記突出部は、前記挿通孔の内周面の周方向に沿ってリング状に形成されていてもよい。

また、本開示においては、前記突出部は、前記挿通孔の内周面の周方向に沿って間隔をあけて複数形成されていてもよい。

また、本開示においては、前記バックフォイルは、前記挿通孔の軸方向において分離した、第１のバックフォイルと、第２のバックフォイルとを備え、前記第１のバックフォイルと、前記第２のバックフォイルとは、前記突出部を挟み軸方向で対向していてもよい。

また、本開示においては、前記第１のバックフォイルと、前記第２のバックフォイルとは、前記トップフォイルを支持する支持剛性が異なっていてもよい。

また、本開示においては、前記バックフォイルは、前記突出部に対し軸方向一方側に配置された第１支持部と、前記突出部に対し軸方向他方側に配置された第２支持部と、前記突出部と前記突出部との隙間に配置され、前記第１支持部と前記第２支持部との間を接続する接続部と、を備えてもよい。

本開示によれば、装置に大きな外力が作用したとき、シャフトの変位を抑制することができる。

本開示のラジアルフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す側面図である。 本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受を示す正面図である。 本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受に蓋体を取り付けた状態を示す正面図である。 本開示の第１実施形態に係るトップフォイルを展開した（ａ）平面図、（ｂ）正面図である。 本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受の要部の分解斜視図である。 本開示の第１実施形態に係る軸受ハウジングの（ａ）正面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。 本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受の要部を平坦化して模式的に示す平面図である。 本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受の要部を平坦化して模式的に示す正面図である。 図８におけるＢ−Ｂ断面図である。 本開示の第２実施形態に係る軸受ハウジングの正面図である。 本開示の第２実施形態に係るラジアルフォイル軸受の要部を平坦化して模式的に示す平面図である。 本開示の第２実施形態に係るラジアルフォイル軸受の要部を平坦化して模式的に示す正面図である。 本開示の第２実施形態の一変形例に係る軸受ハウジングの正面図である。 本開示の第２実施形態の一変形例に係るラジアルフォイル軸受の要部を平坦化して模式的に示す正面図である。 本開示の第２実施形態の一変形例に係るラジアルフォイル軸受の要部を平坦化して模式的に示す正面図である。

以下、図面を参照して本開示のラジアルフォイル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、本開示のラジアルフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す側面図である。
図１中、符号１は回転軸（シャフト）、符号２は回転軸の軸方向の一方側の先端に設けられたインペラ、符号３は本開示に係るラジアルフォイル軸受である。なお、図１では省略してラジアルフォイル軸受を一つしか記載していないが、通常は回転軸１の軸方向にラジアルフォイル軸受が二つ設けられている。したがって、本開示においてもラジアルフォイル軸受３が二つ設けられている。

回転軸１には、ラジアルフォイル軸受３が外挿（挿通）されている。回転軸１のインペラ２とラジアルフォイル軸受３との間には、スラストカラー４が設けられている。このスラストカラー４の軸方向両側には、スラスト軸受５が配置（挿通）されている。インペラ２は、静止側となるハウジング６内に配置されており、ハウジング６との間にチップクリアランス７を有している。

（第１実施形態）
図２は、本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受３を示す正面図である。図３は、本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受３に蓋体５０を取り付けた状態を示す正面図である。
ラジアルフォイル軸受３は、回転軸１に外挿されて、該回転軸１を支持する軸受である。ラジアルフォイル軸受３は、トップフォイル９と、中間フォイル１０と、バックフォイル１１と、軸受ハウジング１２と、を備える。軸受ハウジング１２は、回転軸１が挿通される挿通孔１２ａを有する。

なお、以下の説明においては、挿通孔１２ａを基準に各部材の位置関係を説明することがある。具体的に、「軸方向」とは、挿通孔１２ａが延びる方向（回転軸１が挿通される方向）を言う。また、「径方向」とは、挿通孔１２ａの径方向を言う。また、「周方向」とは、挿通孔１２ａの内周面に沿った周方向を言う。

軸受ハウジング１２は、径方向におけるラジアルフォイル軸受３の最外部を構成する円筒状の部材である。軸受ハウジング１２には、挿通孔１２ａが形成されている。挿通孔１２ａには、バックフォイル１１、中間フォイル１０、トップフォイル９が収容されている。具体的に、バックフォイル１１は挿通孔１２ａの内周面に支持され、中間フォイル１０はバックフォイル１１に支持され、トップフォイル９は中間フォイル１０に支持されている。なお、本開示の軸受ハウジング１２は、挿通孔１２ａを備える円筒状の部材である。しかし、挿通孔１２ａを有すれば、軸受ハウジング１２は、円筒状以外の部材（例えば角柱状の部材）であってもよい。

図４は、本開示の第１実施形態に係るトップフォイル９を展開した（ａ）平面図、（ｂ）正面図である。
トップフォイル９は、図４（ａ）に示すように、周方向を長辺とし、軸方向を短辺とする矩形状の金属箔である。このトップフォイル９は、図２に示すように、円筒状に巻かれて、回転軸１の周面に対向して配置されている。

トップフォイル９の長辺方向における一方の短辺には、図４（ａ）に示すように、長辺方向の一方側に突出する一つの凸部２１ａと、凸部２１ａの短辺方向両側に形成された二つの凹部２２ａとを有してなる第１の凹凸部２３ａが形成されている。すなわち、トップフォイル９の長辺方向における一方の短辺は、長辺方向の一方側に突出する一つの凸部２１ａと、凸部２１ａの短辺方向両側に延接する段差とを備える。

また、トップフォイル９の当該一方の短辺と反対の他方の短辺(長辺方向における他方側に位置する短辺)には、短辺方向において離隔する二つの凸部２１ｂと、当該二つの凸部２１ｂの間に位置する一つの凹部２２ｂと、を有してなる第２の凹凸部２３ｂが形成されている。あるいは、トップフォイル９の長辺方向の他方側に位置する短辺には、長辺方向の一方側に窪む凹部２２ｂと、凹部２２ｂの短辺方向両側に位置する段差とを備える。

第２の凹凸部２３ｂの凹部２２ｂは、第１の凹凸部２３ａの凸部２１ａに対応して形成されている。また、第１の凹凸部２３ａの凹部２２ａは、第２の凹凸部２３ｂの凸部２１ｂに対応して形成されている。つまり、凹部２２ｂの短辺方向の間隔の最少が、凸部２１ａの短辺方向の幅の最大より大きい。本開示の凹部２２ｂの長辺方向の間隔と、凸部２１ａの長辺方向の間隔は、長辺方向において一定である。

第２の凹凸部２３ｂの凹部２２ｂは、第１の凹凸部２３ａと第２の凹凸部２３ｂとが重なるようにトップフォイル９を円筒状に巻いた際、凹部２２ｂ内を凸部２１ａが通り抜けるように形成されている。同様に、第１の凹凸部２３ａの凹部２２ａは、トップフォイル９を円筒状に巻いた際、該凹部２２ａ内を凸部２１ｂがそれぞれ通り抜けるように形成されている。

凹部２２ｂ、２２ａを通り抜けた凸部２１ａ、２１ｂは、図２に示すように、それぞれ軸受ハウジング１２側に引き出される。すなわち、挿通孔１２ａの内周側に配されたトップフォイル９を軸方向から見ると、凸部２１ａと凸部２１ｂが交差している。また、トップフォイル９の凸部２１ａは、軸方向において、２つの凸部２１ｂの間に位置する。軸受ハウジング１２には、挿通孔１２ａの内周面に、凸部２１ａ、２１ｂを収容する溝１３が形成されている。溝１３は、軸受ハウジング１２の軸方向の一方の端面１２ｂから他方の端面１２ｂまで形成されている。

トップフォイル９は、図４（ｂ）に示すように、第１の凹凸部２３ａを形成した側（一方の短辺側）と第２の凹凸部２３ｂを形成した側（他方の短辺側）とに、これらの間の中央部に比べて薄厚（薄肉）な薄肉部２４が形成されている。これら薄肉部２４は、図２に示すように、その外周面（軸受ハウジング１２側の面）が中央部の外周面より凹み、薄肉となっている。薄肉部２４の周方向の長さＬは、図２に示すように、溝１３と、バックフォイル１１の端部の山部１１ｃの一つ分までに対応する長さとされている。本開示においては、軸受ハウジング１２に配されたトップフォイル９は、外周面側に段差を備え、当該段差を介し薄肉となる。また、薄肉部２４は、トップフォイル９の周方向の両端から最も近い山部１１ｃを越える周方向位置まで延在している。

図２に示すように、軸受ハウジング１２の軸方向の両端面１２ｂには、挿通孔１２ａの内周縁から径方向外側に向かって延伸する一対の係合溝２５が形成されている。つまり、軸受ハウジング１２の軸方向における端面１２ｂは、軸受ハウジング１２の内周まで延在する凹部を備える。本開示の係合溝２５は、軸受ハウジング１２の端面１２ｂを、周方向にほぼ３分割する位置に、それぞれ形成されている。そして、これら係合溝２５には、後述する係合部材３０（係合ピン）が係合している。なお、本開示では、３つの係合溝２５のうちの２つの係合溝２５の間に、溝１３が配置されている。また、係合溝２５の一つは、径方向において溝１３と対向している。

バックフォイル１１は、軸受ハウジング１２の挿通孔１２ａの内周面に配置されている。バックフォイル１１は、中間フォイル１０及びトップフォイル９を弾性的に支持するフォイル（薄板）である。このようなバックフォイル１１としては、例えばバンプフォイルや、特開２００６−５７６５２号公報や特開２００４−２７０９０４号公報などに記載されているスプリングフォイル、特開２００９−２９９７４８号公報などに記載されているバックフォイルなどが用いられる。本開示では、バックフォイル１１としてバンプフォイルを用いている。

本開示のバックフォイル１１は、挿通孔１２ａの内周面に沿って配置された３つのバックフォイル片１１ａによって構成されている。なお、バックフォイル片１１ａのそれぞれは、後述のように軸方向に分離しているため、厳密には６つのバックフォイル片１１ａによってバックフォイル１１が構成されている。バックフォイル片１１ａは、フォイル（薄板）が周方向に波板状になっている。周方向に連なる３つのバックフォイル片１１ａは、軸方向から見たとき、全体として略円筒状になるよう湾曲している。つまり、バックフォイル片１１ａは、挿通孔１２ａの内周面に支持される。本開示では、周方向に連なる３つのバックフォイル片１１ａが全て同じ形状・寸法に形成されている。したがって、これらバックフォイル片１１ａは、挿通孔１２ａの内周面を周方向において略３分割して配置されている。

バックフォイル片１１ａは、径方向内側に突出する山部１１ｃと、山部１１ｃから見て径方向外側に突出する谷部１１ｂと、が周方向において交互に形成されている。谷部１１ｂの軸受ハウジング１２と対向する平坦部は、挿通孔１２ａの内周面に当接可能である。また、山部１１ｃは、中間フォイル１０（中間フォイル片１０ａ）に当接可能である。このように、バックフォイル片１１ａは、山部１１ｃにより、中間フォイル片１０ａを介してトップフォイル９を弾性的に支持している。なお、バックフォイル片１１ａの周方向両端は、いずれも谷部１１ｂとなっている。

中間フォイル１０は、トップフォイル９とバックフォイル１１との間に配置されている。中間フォイル１０は、本開示では、挿通孔１２ａの内周面に沿って配置された３つの中間フォイル片１０ａによって構成されている。なお、中間フォイル片１０ａのそれぞれもは、後述のように軸方向に分離しているため、厳密には６つの中間フォイル片１０ａによって中間フォイル１０が構成されている。周方向に連なる３つの中間フォイル片１０ａは、展開形状が略矩形状であり、軸方向から見たとき、図２に示すように、全体として略円筒状になるよう湾曲している。本開示では、周方向に連なる３つの中間フォイル片１０ａが全て同じ形状・寸法に形成されている。したがって、これら中間フォイル片１０ａは、挿通孔１２ａの内周面を周方向において略３分割して配置されている。

中間フォイル片１０ａの厚みは、バックフォイル片１１ａよりも薄い。中間フォイル１０の剛性は、バックフォイル１１の剛性の半分以下である。中間フォイル片１０ａの外形は、バックフォイル片１１ａの外形と略等しい大きさを有する。この中間フォイル片１０ａは、バックフォイル１１の山部１１ｃの頂部に接する平面部１０ｂと、平面部１０ｂによりも径方向外側に窪む（突出する）溝部１０ｃと、を有する。すなわち、この溝部１０ｃは、トップフォイル９から離隔している。溝部１０ｃは、少なくとも中間フォイル片１０ａの周方向両端の間の周方向位置（本開示では周方向における中間フォイル片１０ａの中央位置）に形成されている。中間フォイル片１０ａの溝部１０ｃの両側の部位は、溝部１０ｃが対向するバックフォイル片１１ａの谷部１１ｂの両側の山部１１ｃに当接可能となっている。

図５は、本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受３の要部の分解斜視図である。図６は、本開示の第１実施形態に係る軸受ハウジング１２の（ａ）正面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。図７は、本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受３の要部を平坦化して模式的に示す平面図である。図８は、本開示の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受３の要部を平坦化して模式的に示す正面図である。図９は、図８におけるＢ−Ｂ断面図である。
バックフォイル片１１ａは、図５に示すように、軸方向の端縁に切欠２６を備える。切欠２６は、バックフォイル片１１ａの谷部１１ｂに形成されている。

切欠２６は、バックフォイル片１１ａの周方向両端の間の周方向位置（本開示では周方向におけるバックフォイル片１１ａの中央位置）に形成されている。また、切欠２６は、バックフォイル片１１ａに形成された２つの山部１１ｃの間の周方向位置に形成されている。すなわち、バックフォイル片１１ａには、軸方向の端縁の当該周方向位置において、軸方向に凹みが存在する。この切欠２６は、軸受ハウジング１２の係合溝２５に対応する位置、すなわち係合溝２５と径方向で重なる（連なる）位置に配置されている。また、切欠２６の幅は、係合溝２５の幅より小さく形成されている。つまり、切欠２６の周方向両端は、係合溝２５の周方向両端の間の周方向位置に位置する。

また、中間フォイル片１０ａは、軸方向の端縁に切欠２７を備える。切欠２７は、中間フォイル片１０ａの溝部１０ｃに形成されている。本開示の溝部１０ｃは、平面部１０ｂよりも径方向外側に位置し周方向に沿って平坦な底部と、当該底部の周方向両端に位置し平面部１０ｂに向かって径方向内側に延伸するテーパ部と、を有する。切欠２７は、中間フォイル片１０ａの周方向両端の間の周方向位置（本開示では周方向における中間フォイル片１０ａの中央位置）に形成されている。すなわち、中間フォイル片１０ａには、軸方向の両端縁の当該周方向位置において、軸方向の凹みが存在する。

切欠２７は、軸受ハウジング１２の係合溝２５及びバックフォイル片１１ａの切欠２６に対応する位置、すなわち係合溝２５及び切欠２６と径方向に重なる（連なる）位置に形成されている。切欠２７の幅は、係合溝２５の幅よりも小さく、切欠２６の幅と同じに形成されている。これら係合溝２５と切欠２６と切欠２７には、係合部材３０が係合している。係合部材３０は、軸受ハウジング１２の係合溝２５に係合する係合部３１と、切欠２６及び切欠２７を挿通（あるいは嵌挿）する挿通部３２と、中間フォイル１０（バックフォイル１１）の内周側に対向する返し部３３と、を備える。

係合部３１は、図８に示すように、係合溝２５の周方向両端の内面２５ａにそれぞれ当接している。係合溝２５の内面２５ａは、周方向において間隔をあけて対向し、且つ径方向に平行に延伸している。係合部３１は、係合溝２５の内面２５ａのそれぞれに、径方向において所定幅で接触する矩形枠状に形成されている。また、係合部３１の周方向の一方側で内面２５ａと対向する部分と、係合部３１の周方向の他方側で内面２５ａと対向する部分との間には、周方向に空隙となる領域が存在する。また、係合部３１は、内面２５ａからＲ（湾曲形状）をつける等して滑らかに離隔している。

挿通部３２は、矩形枠状の係合部３１の上部から径方向内側に向かって平行に延伸している。挿通部３２は、係合部３１から２つ形成されており、互いに離隔している。また、挿通部３２と係合部３１は、Ｒ（湾曲形状）をつける等して滑らかにつながっている。また、挿通部３２は、軸方向において中間フォイル片１０ａ及びバックフォイル片１１ａと当接する。返し部３３は、径方向内側に向かって平行に延伸した挿通部３２の先端部から、周方向において互いに相反する方向に曲げられて形成されている。つまり、係合部材３０は、周方向において相反する方向に延伸する一対の返し部３３を備える。一対の返し部３３は、中間フォイル１０の溝部１０ｃに収容され、溝部１０ｃの開口位置（上端）よりも径方向外側に位置している。

本開示の係合部材３０は、中間フォイル１０（バックフォイル１１）の内周側（周方向内側の面）において、切欠２７（切欠２６）の形成範囲Ｗよりも広い範囲に亘って延伸している。具体的には、一対の返し部３３の相反する方向に延伸する両端部間の幅をＷ１とすると、Ｗ１＞Ｗの関係を有する。なお、挿通部３２の幅をＷ２とすると、Ｗ１＞Ｗ＞Ｗ２の関係を有する。また、係合部３１の幅をＷ３とすると、Ｗ３＞Ｗ１＞Ｗ＞Ｗ２の関係を有する。また、Ｗ１は、バックフォイル１１の谷部１１ｂの平坦部より広い範囲に亘って延伸している。

係合部材３０は、蓄勢状態で係合溝２５の内面２５ａに当接している。本開示の係合部材３０は、一枚の板バネ（弾性部材）を略Ｃ形（瓶形）に折り曲げて形成されている。係合部材３０の係合部３１は、周方向において僅かに縮められた状態で、係合溝２５に係合している。これによって、係合部３１には、周方向に開こうとするスプリングバックが作用している。これにより、係合部３１と係合溝２５の内面２５ａとの間に摩擦力が発現し、係合部材３０が軸受ハウジング１２に保持されている。

図３に戻り、軸受ハウジング１２の軸方向の両端面１２ｂには、蓋体５０が取り付けられている。蓋体５０は、係合部材３０を収容している係合溝２５を覆っている。本開示の蓋体５０は、軸受ハウジング１２の周方向に沿う円環板状に形成されている。蓋体５０の内周縁の径は、軸受ハウジング１２の内周縁の径よりも大きく、蓋体５０の外周縁の径は、軸受ハウジング１２の外周縁の径よりも小さい。

蓋体５０は、係合溝２５の近傍に形成されたネジ孔５２（図２参照）にネジ５１によってネジ止めされている。本開示の蓋体５０は、軸受ハウジング１２の端面１２ｂを、その周方向にほぼ３分割する位置に、それぞれネジ止めされている。上記構成によれば、軸受ハウジング１２の端面１２ｂに、係合部材３０を収容している係合溝２５を覆う蓋体５０が取り付けられているため、係合部材３０が軸受ハウジング１２から軸方向に外れるのを抑制することができる。

軸受ハウジング１２には、図６（ａ）に示すように、挿通孔１２ａの内周面から径方向内側（内径側）に向かって突出する突出部４０が設けられている。本開示の突出部４０は、軸受ハウジング１２と一体で形成されている。なお、突出部４０は、別部材として軸受ハウジング１２に取り付けられる構成であってもよい。突出部４０は、挿通孔１２ａの内周面の周方向に沿ってリング状に形成されている。より詳しくは、突出部４０は、溝１３を除く挿通孔１２ａの内周面、略全周に亘ってＣ字状に形成されている。

突出部４０は、図６（ｂ）に示すように、挿通孔１２ａの内周面よりも径方向内側に位置し（縮径し）周方向に沿って平坦な頂壁部４０ａと、当該頂壁部４０ａの軸方向両端に位置し挿通孔１２ａの内周面に向かって径方向外側に垂直に延伸する一対の側壁部４０ｂと、を有する。突出部４０は、挿通孔１２ａの軸方向中央位置Ｐ１より±５％の範囲の軸方向位置に頂壁部４０ａを備えている。すなわち、挿通孔１２ａ（軸受ハウジング１２）の軸方向における全幅をＤ１とし、頂壁部４０ａの全幅をＤ２としたとき、Ｄ２はＤ１の１０％の範囲内で形成することが好ましい。なお、Ｄ２をＤ１の１０％の範囲内で形成しなければ、効果が生じないというわけではない。

図７に示すように、本開示のバックフォイル１１は、挿通孔１２ａの軸方向において分離している。突出部４０に対し軸方向一方側（図７において紙面上側）に配置されたバックフォイル１１（以下、第１のバックフォイル１１）には、軸方向一方側の端縁に切欠２６が形成され、係合部材３０と係合している。この第１のバックフォイル１１の軸方向他方側の端縁には、切欠２６が形成されておらず、当該軸方向他方側の端縁は、突出部４０の側壁部４０ｂに対し軸方向で接する若しくはわずかな隙間をあけて配置されている。

また、突出部４０に対し軸方向他方側（図７において紙面下側）に配置されたバックフォイル１１（以下、第２のバックフォイル１１）にも、不図示であるが軸方向他方側の端縁に切欠２６が形成され、係合部材３０と係合している。この第２のバックフォイル１１の軸方向一方側の端縁には、切欠２６が形成されておらず、当該軸方向一方側の端縁は、突出部４０の側壁部４０ｂに対し軸方向で接する若しくはわずかな隙間をあけて配置されている。

つまり、バックフォイル１１は、突出部４０を挟み、軸方向に交差する方向に延伸した４つの端縁（第１のバックフォイル１１の２つの端縁と、第２のバックフォイル１１の２つの端縁）を備える。あるいは、軸方向に見た場合に、バックフォイル１１は、４つの端縁を備えるとも言える。また、バックフォイル１１の軸方向両側の端縁には切欠２６が形成され、係合部材３０と係合しているとも言える。他方、このバックフォイル１１の突出部４０に対向する端縁 、つまり、軸方向の内側に位置する２つの端縁には、切欠２６が形成されておらず、当該２つの端縁は、突出部４０の側壁部４０ｂに対し軸方向で接する若しくはわずかな隙間をあけて配置されているとも言える。

また、本開示の中間フォイル１０も、突出部４０に対し、挿通孔１２ａの軸方向において分離している。突出部４０に対し軸方向他方側（図７において紙面下側）に配置された中間フォイル１０（以下、第１の中間フォイル１０）には、軸方向他方側の端縁に切欠２７が形成され、係合部材３０と係合している。この第１の中間フォイル１０の軸方向一方側の端縁には、切欠２７が形成されておらず、当該軸方向一方側の端縁は、突出部４０の側壁部４０ｂに対し軸方向で接する若しくはわずかな隙間をあけて配置されている。

また、突出部４０に対し軸方向一方側（図７において紙面上側）に配置された中間フォイル１０（以下、第２の中間フォイル１０）には、不図示であるが軸方向一方側の端縁に切欠２７が形成され、係合部材３０と係合している。この第２の中間フォイル１０の軸方向他方側の端縁には、切欠２７が形成されておらず、当該軸方向他方側の端縁は、突出部４０の側壁部４０ｂに対し軸方向で接する若しくはわずかな隙間をあけて配置されている。

つまり、中間フォイル１０は、突出部４０を挟み、軸方向に交差する方向に延伸した４つの端縁（第１の中間フォイル１０の２つの端縁と、第２の中間フォイル１０の２つの端縁）を備える。あるいは、軸方向に見た場合に、中間フォイル１０は、４つの端縁を備えるとも言える。また、中間フォイル１０の軸方向両側の端縁には切欠２６が形成され、係合部材３０と係合しているとも言える。他方、この中間フォイル１０の突出部４０に対向する端縁 、つまり、軸方向の内側に位置する２つの端縁には、切欠２６が形成されておらず、当該２つの端縁は、突出部４０の側壁部４０ｂに対し軸方向で接する若しくはわずかな隙間をあけて配置されているとも言える。

トップフォイル９は、図９に示すように、挿通孔１２ａの軸方向において分離したバックフォイル１１及び中間フォイル１０のそれぞれに支持されている。分離した第１，第２のバックフォイル１１の間及び第１，第２の中間フォイル１０の間には、隙間が形成され、その隙間に突出部４０が配置されている。つまり、バックフォイル１１及び中間フォイル１０の突出部４０を挟んだ両側の部位が、それぞれトップフォイル９を支持していると言える。つまり、頂壁部４０ａは、径方向においてトップフォイル９と対面している。トップフォイル９は、挿通孔１２ａの径方向（図９において紙面上下方向）において突出部４０と重なって配置される。突出部４０の頂壁部４０ａは、挿通孔１２ａの径方向においてトップフォイル９の外周面（背面）と隙間をあけて対向している。

突出部４０は、図８に示すように、挿通孔１２ａの内周面から、バックフォイル１１の山部１１ｃの頂部１１ｃ１より径方向外側（外径側）の径方向位置まで延伸している。すなわち、突出部４０は、山部１１ｃの頂部１１ｃ１よりも径方向内側（内径側）には突出していない。このため、負荷の作用していない場合、突出部４０の頂壁部４０ａは、トップフォイル９の外周面に対して離隔している。突出部４０は、例えば、山部１１ｃの全高の７５％以下の高さを有することが好ましい。

なお、突出部４０は、バックフォイル１１の谷部１１ｂに対しては、径方向内側（内径側）の径方向位置まで延伸している。これにより、図７に示すように、突出部４０に対向するバックフォイル１１の端縁の一部が、側壁部４０ｂに対向可能となり、バックフォイル１１の軸方向における位置決めがなされる。また、突出部４０は、中間フォイル１０の溝部１０ｃより径方向内側（内径側）の径方向位置まで延伸していることが好ましい。これにより、突出部４０に対向する中間フォイル１０の端縁の一部が、側壁部４０ｂに対向可能となり、中間フォイル１０の軸方向における位置決めがなされる。

なお、本開示の中間フォイル１０は、図８に示すように、周方向中央位置の溝部１０ｃの周方向両側に、第２の溝部１０ｃ１を備える。第２の溝部１０ｃ１は、溝部１０ｃと同様に径方向外側に窪んでおり、トップフォイル９から離隔している。第２の溝部１０ｃ１は、バックフォイル１１の山部１１ｃと接触し、後述する摩擦によるエネルギー散逸を引き起こし易くする。また、第２の溝部１０ｃ１は、突出部４０の側壁部４０ｂに軸方向において対向し、中間フォイル１０の軸方向における位置決めに寄与する。すなわち、第２の溝部１０ｃ１は、頂壁部４０ａより径方向外側まで延伸している。

次に、このような構成からなるラジアルフォイル軸受３の作用について説明する。
回転軸１が停止した状態では、トップフォイル９はバックフォイル１１（３つのバックフォイル片１１ａ）によって中間ファイル１０（３つの中間フォイル片１０ａ）を介して回転軸１側に付勢されることで回転軸１に密着している。なお、本開示では、トップフォイル９の両端部が薄肉部２４となっているので、これら薄肉部２４では回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）が、薄肉部２４がない場合と比べ緩和される。

そして、回転軸１を図２中の矢印Ｐ方向に始動させると、最初は低速で回転を始め、その後徐々に加速して高速で回転する。すると、図２中矢印Ｑで示すように、トップフォイル９、中間フォイル１０、バックフォイル１１のそれぞれの一端側から周囲流体が引き入れられ、トップフォイル９と回転軸１との間に流入する。これにより、トップフォイル９と回転軸１との間に流体潤滑膜が形成される。

この流体潤滑膜の膜圧は、トップフォイル９に作用し、該トップフォイル９に接する中間フォイル１０を介してバックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃを押圧する。すると、バックフォイル片１１ａは中間フォイル１０に押圧されることにより、その山部１１ｃが押し広げられ、これによってバックフォイル片１１ａは軸受ハウジング１２上をその周方向に動こうとする。すなわち、バックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）は、中間フォイル１０を介してトップフォイル９を弾性的に支持するため、トップフォイル９から荷重を受けた際にはその周方向に変形することで、トップフォイル９や中間フォイル１０の撓みを許容し、これを支持する。

ここで、図８に示すように、バックフォイル片１１ａには、軸方向の端縁に形成された切欠２６に、係合部材３０が挿通されている。係合部材３０は、軸受ハウジング１２の係合溝２５に係合しており、この係合部材３０が切欠２６に挿通されることで、周方向におけるバックフォイル片１１ａの回転が抑制される。したがって、バックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃは、係合部材３０が係合している切欠２６を挟み周方向に変形する（動く）。

係合部材３０の挿通部３２は、バックフォイル片１１ａと当接しており、軸方向におけるバックフォイル片１１ａの移動も抑制している。さらに、係合部材３０は、切欠２６を通ったバックフォイル１１の内周側において、挿通孔１２ａの周方向における切欠２６の形成範囲Ｗ外まで延伸している。つまり、係合部材３０には、切欠２６を通ったバックフォイル１１の内周側に返し部３３が形成されており、これが径方向におけるバックフォイル片１１ａの抜け止めとなっている。よって、バックフォイル片１１ａの脱落が抑制される。

中間フォイル片１０ａにもバックフォイル片１１ａと同様に、切欠２７が形成され、係合部材３０が挿通されている。このため、中間フォイル片１０ａも脱落が抑制される。中間フォイル片１０ａは、トップフォイル９からバックフォイル片１１ａへ荷重を伝える際、トップフォイル９およびバックフォイル片１１ａと共に撓むが、このとき中間フォイル片１０ａとトップフォイル９やバックフォイル片１１ａとの間で「滑り」が生じる。すなわち、回転軸１の軸振動により流体潤滑膜に圧力変動が生じると、トップフォイル９に圧力変動が伝達し、当該「滑り」が生じる。この「滑り」が摩擦によるエネルギー散逸を引き起こし、膜圧変動を減衰させるので、回転軸１の軸振動が抑制される。

また、回転軸１の軸振動による変動荷重(負荷と除荷の繰り返し)がバックフォイル片１１ａに作用し、荷重が除荷側になったとき、バックフォイル片１１ａは、軸受ハウジング１２の挿通孔１２ａの内周面から僅かに浮き上がる。このとき、係合部材３０の返し部３３が、バックフォイル片１１ａ（中間フォイル片１０ａ）に引っ掛かり、バックフォイル片１１ａと一緒に係合部材３０が持ち上げられる。ここで、係合部材３０は、軸受ハウジング１２の係合溝２５の内面２５ａに当接しているため、係合部材３０と係合溝２５の内面２５ａとの間で「滑り」が生じ、これが摩擦によるエネルギー散逸を引き起こし、減衰として寄与する。

このような通常運転時、回転軸１に作用する荷重は、図９に示すように、流体潤滑膜を介してトップフォイル９を押し下げ、それをバックフォイル１１が支えている。強い外力により軸受荷重が大きくなると、バックフォイル１１がさらに押し下げられ、トップフォイル９の外径側（背面側）が、突出部４０の頂壁部４０ａに接し始める。この状態に達すると、軸受荷重が増えても、増えた分の荷重は、突出部４０に支えられるようになり、回転軸１の径方向の変位の進行は頭打ちになる。したがって、図１に示すインペラ２とハウジング６との間のチップクリアランス７が維持され、両者の接触を回避できる。また、逆にチップクリアランス７を狭く設計してターボ機械の高効率化を図ることが可能になる。

ところで、トップフォイル９の外径側が突出部４０の頂壁部３０ａに接していないとき（または突出部４０が無いとき）、挿通孔１２ａの軸方向中央付近では、流体潤滑膜の圧力（図９において矢印で示す）に負けてトップフォイル９が大きく撓んでしまう。このように、挿通孔１２ａの軸方向中央付近でトップフォイル９が撓んでいると、流体潤滑膜が厚くなるため、流体潤滑膜の圧力は弱くなる。一方で、本開示では、回転軸１の径方向の変位が進行し、トップフォイル９の外径側が突出部４０の頂壁部４０ａに接し始めると、トップフォイル９を支える力が強まるため、挿通孔１２ａの軸方向中央付近におけるトップフォイル９の撓みは減っていく。そうすると、回転軸１の径方向の変位が僅かに増えるだけでも流体潤滑膜では圧力が大きく上昇し、より大きな軸受荷重を支えられるようになる。すなわち、回転軸１の径方向の変位の進行に伴い、流体潤滑膜も強化されていく。

また、本開示の突出部４０は、図６（ａ）に示すように、挿通孔１２ａの軸方向中央位置Ｐ１より±５％の範囲の軸方向位置に頂壁部４０ａを備えている。したがって、挿通孔１２ａの軸方向中央付近におけるトップフォイル９の撓みを効果的に抑制することができる。すなわち、図９に示すように、流体潤滑膜の圧力は、軸方向中央付近でピークを迎え、軸方向両端に向かい低下する。つまり、軸方向中央付近から、軸方向両端に向かうにつれ、流体潤滑膜の圧力の変化率が大きくなる。頂壁部４０ａによる支持は、流体潤滑膜のピークの近くが好ましい。図６（ｂ）に示す軸方向中央位置Ｐ１より±５％の範囲では、流体潤滑膜のピーク圧力と比べて大きく変動せず、頂壁部４０ａによる支持がより有効に作用する。

また、本開示の突出部４０は、図６（ａ）に示すように、挿通孔１２ａの内周面の周方向に沿ってリング状に形成されているため、挿通孔１２ａの軸方向中央付近におけるトップフォイル９の撓みを全周に亘って抑制できる。さらに、図７に示すように、バックフォイル１１（中間フォイル１０）は、挿通孔１２ａの軸方向において分離しているため、リング状に形成された突出部４０と干渉することなく挿通孔１２ａの内周面に配置することができる。

このように、上述の本開示によれば、回転軸１が挿通される挿通孔１２ａを有する軸受ハウジング１２と、挿通孔１２ａの内周面に配置され、該内周面の周方向に沿って山部１１ｃと谷部１１ｂを交互に備えるバックフォイル１１と、バックフォイル１１に支持されたトップフォイル９と、挿通孔１２ａの径方向においてトップフォイル９と重なって配置されると共に、挿通孔１２ａの内周面から、山部１１ｃの頂部１１ｃ１より外径側の径方向位置まで延伸する突出部４０と、を備える、という構成を採用することによって、ラジアルフォイル軸受３が組み込まれたターボ機械に大きな外力が作用したとき、回転軸１の径方向の変位を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本開示の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図１０は、本開示の第２実施形態に係る軸受ハウジング１２の正面図である。図１１は、本開示の第２実施形態に係るラジアルフォイル軸受３の要部を平坦化して模式的に示す平面図である。図１２は、本開示の第２実施形態に係るラジアルフォイル軸受３の要部を平坦化して模式的に示す正面図である。
第２実施形態では、図１０に示すように、突出部４０が、挿通孔１２ａの内周面の周方向に沿って間隔をあけて複数形成されている点で、上記第１実施形態と異なる。

突出部４０と周方向に隣接する突出部４０との間には、周方向の隙間Ｓが形成されている。隙間Ｓは、挿通孔１２ａの内周面を周方向にほぼ３分割する位置に、それぞれ形成されている。なお、本開示では、３つの隙間Ｓのうちの２つの隙間Ｓの間に、溝１３が配置されている。また、隙間Ｓの一つは、径方向において溝１３と対向している。

バックフォイル１１は、図１１に示すように、複数の突出部４０に対し軸方向一方側（図１１において紙面上側）に配置された第１支持部１１Ａと、複数突出部４０に対し軸方向他方側（図１１において紙面下側）に配置された第２支持部１１Ｂと、突出部４０と突出部４０との隙間Ｓに配置され、第１支持部１１Ａと第２支持部１１Ｂとの間を接続する接続部１１Ｃと、を備える。すなわち、バックフォイル１１は、挿通孔１２ａの軸方向において分離していない。

接続部１１Ｃは、第１支持部１１Ａと第２支持部１１Ｂの周方向中央位置を接続している。第１支持部１１Ａと第２支持部１１Ｂの周方向中央位置は、図１２に示すように、挿通孔１２ａの内周面に接する第２の谷部１１ｂ１となっている。第２の谷部１１ｂ１の平坦部は、他の谷部１１ｂの平坦部の幅よりも大きく、隙間Ｓの幅よりも小さくなっている。図１１に示すように、接続部１１Ｃの周方向両側には、周方向に延伸する孔部１１ｄ（切欠）が形成されている。孔部１１ｄは、突出部４０に対応する位置に形成されている。すなわち、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）には、周方向の両端縁の軸方向中央位置において、周方向の凹みが存在する。

中間フォイル１０も、複数の突出部４０に対し軸方向一方側（図１１において紙面上側）に配置された第１支持部１０Ａと、複数の突出部４０に対し軸方向他方側（図１１において紙面下側）に配置された第２支持部１０Ｂと、突出部４０と突出部４０との隙間Ｓに配置され、第１支持部１０Ａと第２支持部１０Ｂとの間を接続する接続部１０Ｃと、を備える。すなわち、中間フォイル１０も、挿通孔１２ａの軸方向において分離していない。

接続部１０Ｃは、第１支持部１０Ａと第２支持部１０Ｂの周方向中央位置を接続している。第１支持部１０Ａと第２支持部１０Ｂの周方向中央位置には、図１２に示すように、第２の谷部１１ｂ１に接する第３の溝部１０ｃ２が形成されている。第３の溝部１０ｃ２の平坦部は、第２の谷部１１ｂ１の平坦部の幅よりも小さく、且つ、隙間Ｓの幅よりも小さい。図１１に示すように、接続部１０Ｃの周方向両側には、孔部１０ｄ（切欠）が形成されている。孔部１０ｄは、突出部４０に対応する位置に形成されている。すなわち、中間フォイル１０（中間フォイル片１０ａ）には、周方向の両端縁の軸方向中央位置において、周方向の凹みが存在する。

上記構成の第２実施形態によれば、突出部４０と突出部４０との間に隙間Ｓが形成されることによって、バックフォイル１１（中間フォイル１０）を軸方向で分離しなくてもよくなる。これにより、部品点数が削減される。また、図１１に示すように、バックフォイル１１（中間フォイル１０）は、突出部４０によって軸方向両側及び周方向両側において位置決めされるため、図７に示す係合部材３０及び切欠２６（切欠２７）、さらには蓋体５０も不要となる。したがって、部品点数が大幅に削減される。

なお、第２実施形態は、図１３及び図１４に示す変形例を採用し得る。
図１３は、本開示の第２実施形態の一変形例に係る軸受ハウジング１２の正面図である。図１４は、本開示の第２実施形態の一変形例に係るラジアルフォイル軸受３の要部を平坦化して模式的に示す正面図である。
図１３に示すように、挿通孔１２ａには、突出部４０と突出部４０の隙間Ｓに対応する位置に、溝１４が形成されている。溝１４は、挿通孔１２ａの内周面よりも径方向外側に凹む窪みであり、例えばキー溝加工により形成することができる。

図１４に示すように、バックフォイル１１は、溝１４上の周方向中央位置に山部１１ｃを備えている。また、中間フォイル１０は、溝１４上の周方向中央位置に平面部１０ｂを備えている。なお、バックフォイル１１（中間フォイル１０）の平面形状は、図１１に示す平面形状と略同じである。この構成によれば、リング状の突出部４０をキー溝加工等により削り取って、簡単に複数の突出部４０の形成できると共に、この加工により形成される溝１４を跨いでバックフォイル１１（中間フォイル１０）を配置できる。

なお、第２実施形態は、図１５に示す変形例も採用し得る。
図１５は、本開示の第２実施形態の一変形例に係るラジアルフォイル軸受３の要部を平坦化して模式的に示す正面図である。
図１５に示すように、バックフォイル１１は、溝１４上の周方向中央位置の第２の谷部１１ｂ１に山部１１ｃと上下反転した第２の山部１１ｂ２を備えている。第２の山部１１ｂ２の径方向外側の頂部は、溝１４の底面に接するようになっている。なお、溝１４の底面を、符号１５で示すテーパ面(すなわち径方向外側に向けて狭まる楔形状)とすることで、第２の山部１１ｂ２の収まりが良くなる。

以上、図面を参照しながら本開示の１つの実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記第１実施形態において、リング状の突出部４０を複数列設けてもよい。また、リング状の突出部４０によって挿通孔１２ａの軸方向において分離した第１，第２のバックフォイル１１は、トップフォイル９を支持する支持剛性が異なっていてもよい。例えば、リング状の突出部４０が軸方向に離隔して２列設けられている場合、２列の突出部４０の間に配置された中央の第１のバックフォイル１１の山部１１ｃと谷部１１ｂのピッチが、２列の突出部４０の軸方向外側に配置された外側の第２のバックフォイル１１の山部１１ｃと谷部１１ｂのピッチよりも狭くなっていてもよい。これにより、軸方向中央部に配置されたバックフォイル１１の剛性が高くなるため、トップフォイル９の軸方向中央付近の撓みを効果的に抑制できる。なお、支持剛性を変更する方法は様々であり、例えば、材質、厚み、ピッチ幅、単一山の幅(泡状のバンプフォイルの場合、泡の径)、また、場合により山（泡）の高さなどを変更してもよい。

また、上記第２実施形態において、複数の突出部４０は挿通孔１２ａの内周面に点在させてもよい。また、バックフォイル１１の突出部４０に対応する位置に形成される孔部１１ｄは、切欠（凹み）ではなく貫通孔であってもよい。

１ 回転軸（シャフト）
３ ラジアルフォイル軸受
９ トップフォイル
１１ バックフォイル
１１ｂ 谷部
１１ｃ 山部
１１ｃ１ 頂部
１１ｄ 孔部
１１Ａ 第１支持部
１１Ｂ 第２支持部
１１Ｃ 接続部
１２ 軸受ハウジング
１２ａ 挿通孔
４０ 突出部
４０ａ 頂壁部
Ｐ１ 軸方向中央位置
Ｓ 隙間

Claims (8)

1. シャフトが挿通される挿通孔を有する軸受ハウジングと、
   前記挿通孔の内周面に配置されるバックフォイルと、
   前記バックフォイルに支持されるトップフォイルと、
   前記挿通孔の内周面から前記挿通孔の径方向内側に向かって突出し、前記トップフォイルを支持可能な突出部と、を備える、ラジアルフォイル軸受。
2. 前記バックフォイルは、前記突出部が嵌合される孔部を備える、請求項１に記載のラジアルフォイル軸受。
3. 前記突出部は、前記挿通孔の軸方向中央位置より±５％の範囲の軸方向位置に頂壁部を備える、請求項１または２に記載のラジアルフォイル軸受。
4. 前記突出部は、前記挿通孔の内周面の周方向に沿ってリング状に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のラジアルフォイル軸受。
5. 前記突出部は、前記挿通孔の内周面の周方向に沿って間隔をあけて複数形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のラジアルフォイル軸受。
6. 前記バックフォイルは、前記挿通孔の軸方向において分離した、第１のバックフォイルと、第２のバックフォイルとを備え、
   前記第１のバックフォイルと、前記第２のバックフォイルとは、前記突出部を挟み軸方向で対向している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のラジアルフォイル軸受。
7. 前記第１のバックフォイルと、前記第２のバックフォイルとは、前記トップフォイルを支持する支持剛性が異なる、請求項６に記載のラジアルフォイル軸受。
8. 前記バックフォイルは、
   前記突出部に対し軸方向一方側に配置された第１支持部と、
   前記突出部に対し軸方向他方側に配置された第２支持部と、
   前記突出部と前記突出部との隙間に配置され、前記第１支持部と前記第２支持部との間を接続する接続部と、を備える、請求項５に記載のラジアルフォイル軸受。

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