JP2021131135A - 軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転域での軸受構造の信頼性を向上させること。【解決手段】本開示の軸受構造１００は、回転軸１１と、回転軸１１の周囲に配置されて軸受面を構成しているフォイル２２、及び、フォイル２２を保持しているフォイルホルダ２１を有する動圧軸受１２と、動圧軸受１２の周囲に配置されて動圧軸受１２を支持する軸受支持部材１３と、軸受支持部材１３とフォイルホルダ２１との間に配置された少なくとも１つの弾性体１４と、を備えている。【選択図】図１

Description

本開示は、軸受構造に関する。

流体軸受は、流体の膜によって支持力を発生させるように構成された軸受である。流体軸受としては、静圧軸受と動圧軸受とが挙げられる。静圧軸受は、圧縮された流体を外部から静圧軸受に供給することを必要とする。動圧軸受は、外部からの圧縮された流体の供給を必要とせず、流体に発生する動圧を支持力として用いる。

動圧軸受の１つとして、フォイル軸受が知られている。フォイル軸受においては、可とう性を有する１又は複数の薄板（フォイル）によって軸受面が構成されている。特許文献１には、リーフ型のフォイル軸受（図７）及びバンプ型のフォイル軸受（図８）が記載されている。

特開２０１８−９１３６５号公報

動圧軸受は、流体を予め圧縮するための加圧機構を必要としない。そのため、動圧軸受、特にフォイル軸受は、膨張タービン、ターボ圧縮機、ターボチャージャなどの回転機械の小型化を図るうえで有用である。

回転機械の小型化が進めば進むほど、回転機械の回転数は増える傾向にある。回転機械の小型化を進めるために、高速回転域での軸受構造の信頼性を更に向上させることが求められる。

本開示における軸受構造は、
回転軸と、
前記回転軸の周囲に配置されて軸受面を構成しているフォイル、及び、前記フォイルを保持しているフォイルホルダを有する動圧軸受と、
前記動圧軸受の周囲に配置されて前記動圧軸受を支持する軸受支持部材と、
前記軸受支持部材と前記フォイルホルダとの間に配置された少なくとも１つの弾性体と、
を備えている。

本開示によれば、高速回転域での軸受構造の信頼性を向上させることができる。

実施の形態１における軸受構造の断面図 回転軸の軸方向に垂直な動圧軸受の断面図 回転軸の軸方向に垂直な動圧軸受の別の断面図 変形例における軸受構造の断面図 実施の形態２における軸受構造の断面図 実施の形態２における弾性体の断面図 実施の形態３における軸受構造の断面図 実施の形態３における弾性体の断面図

（本開示の基礎となった知見等）
流体軸受の重要な特性の１つとして、軸受剛性が挙げられる。軸受剛性とは、荷重を付加したときの軸受の弾性変位（たわみ）の大きさによって特定される特性である。静圧軸受では、流体の圧力を変えることによって軸受剛性を調節することができる。これに対し、動圧軸受の軸受剛性を調節することは不可能である。

動圧軸受の軸受剛性（支持剛性）は、回転軸の回転数に応じて変化する。特に、動圧を発生するフォイルの構造要因によって軸受剛性が高速回転域で急激に増加することがある。一見すると、軸受剛性が向上することは、望ましいことであるとも思われる。しかし、軸受剛性が高速回転域で急激に増加することに伴って、回転系の危険速度が高速回転域に遷移することがある。危険速度が高速回転域に遷移すると、高速回転域での突発的な共振の発生と大きい荷重の入力とにより、回転安定性及び静粛性が大幅に低下するだけでなく、軸受、回転軸などの部品が損傷する可能性もある。

従来、動圧軸受の１種であるフォイル軸受は、荷重が加わった際にフォイルが変形することによって振動を減衰させることができるため、振動に強いと考えられてきた。しかし、１０万回転前後の高速回転域において、動圧軸受は、極めて高い剛性を持ち、減衰性に乏しい。フォイル軸受も例外ではない。軸受が減衰性に乏しい場合、いったん発生した共振及び不釣り合い力による振動を抑えることが困難である。

このような知見に基づき、本発明者らは、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、動圧軸受に減衰能を付与するとともに、軸受剛性が過度に増加することを抑制するための技術を提供する。これにより、高速回転域での軸受構造の信頼性を向上させる。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１から図３を用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
図１は、実施の形態１における軸受構造１００の断面図である。軸受構造１００は、回転軸１１、動圧軸受１２、軸受支持部材１３及び弾性体１４を備えている。動圧軸受１２と軸受支持部材１３との間に弾性体１４が配置されている。弾性体１４は、動圧軸受１２における気体膜と直列ばねを構成して軸受構造１００の剛性として機能する。つまり、弾性体１４は、軸受構造１００に減衰能を付与するとともに、軸受構造１００における軸受剛性が過度に増加することを抑制する。これにより、高速回転域での軸受構造１００の信頼性を向上させることができる。

動圧軸受１２において気体膜を形成する気体の種類は特に限定されない。気体膜を形成する気体は、軸受構造１００が適用される回転機械に応じて決まる。気体膜を形成する気体は、回転機械の作動流体であってもよい。気体膜を形成する気体は、例えば、冷媒又は空気である。

回転軸１１は、動圧軸受１２によって支持される。回転軸１１の一端部には、インペラ、タービンホイールなどの回転要素１６が取り付けられている。

動圧軸受１２は、フォイルホルダ２１及び少なくとも１つのフォイル２２を有する。フォイルホルダ２１は、円筒の形状を有する部材である。フォイルホルダ２１の内部にフォイル２２が設けられている。フォイル２２は、回転軸１１の周囲に配置されて軸受面を構成している部材である。フォイル２２は、典型的には、金属製の薄板である。フォイル軸受は、高い剛性を示し、高速回転で運転される回転機械に適している。

図２Ａは、回転軸１１の軸方向に垂直な動圧軸受１２の断面図である。図２Ａに示す例において、動圧軸受１２は、フォイルホルダ２１、トップフォイル２２ａ及びバンプフォイル２２ｂを有する。動圧軸受１２は、バンプ型のフォイル軸受でありうる。バンプフォイル２２ｂは、波形の形状を有するフォイルであり、フォイルホルダ２１の内周面上に配置されている。バンプフォイル２２ｂの上に平坦なトップフォイル２２ａが配置されている。トップフォイル２２ａと回転軸１１との間に気体膜が形成される。

図２Ｂは、回転軸１１の軸方向に垂直な動圧軸受１２の別の断面図である。図２Ｂに示す例において、動圧軸受１２は、フォイルホルダ２１及び複数のリーフフォイル２２ｃを有する。動圧軸受１２は、リーフ型のフォイル軸受であってもよい。リーフフォイル２２ｃの一端部は、フォイルホルダ２１に固定された固定端である。リーフフォイル２２ｃの他端部は、半径方向に揺動可能な自由端である。

図１に示すように、軸受支持部材１３は、動圧軸受１２の周囲に配置されて動圧軸受１２を支持している。軸受支持部材１３は、回転軸１１の軸線Ｏに平行な方向に貫通する保持孔１３ｈを有する。動圧軸受１２のフォイルホルダ２１は、保持孔１３ｈに配置されている。本実施の形態では、フォイルホルダ２１の一部のみが保持孔１３ｈに収められている。ただし、フォイルホルダ２１の全部が保持孔１３ｈに収められていてもよい。軸受支持部材１３は、回転機械のハウジング等に固定されている。動圧軸受１２は、弾性体１４及び軸受支持部材１３を介して、回転機械のハウジング等に固定されている。

軸受支持部材１３は、溝１３ｐを有する。溝１３ｐに弾性体１４が配置されている。溝１３ｐは、環状である。弾性体１４を位置決めするための溝は、フォイルホルダ２１に設けられていてもよく、軸受支持部材１３とフォイルホルダ２１との両方にまたがって設けられていてもよい。

弾性体１４は、軸受支持部材１３とフォイルホルダ２１との間に配置されている。軸受支持部材１３は、弾性体１４を介してフォイルホルダ２１を支持している。フォイルホルダ２１の外周面と軸受支持部材１３の保持孔１３ｈの内周面との間には、弾性体１４が弾性変形して回転軸１１の半径方向に動圧軸受１２が変位することを許容する隙間２４が存在する。隙間２４は、弾性体１４によって占有された部分を除き、保持孔１３ｈの一方の開口端から他方の開口端まで確保されている。つまり、フォイルホルダ２１は、軸受支持部材１３に直接的に接していない。隙間２４によって、弾性体１４の機能が確実に発揮されうる。半径方向における隙間２４の寸法は、例えば０．０１ｍｍから０．０４ｍｍである。

弾性体１４は、リング状の部材であり、周方向において動圧軸受１２に密着している。詳細には、弾性体１４は、３６０度にわたって動圧軸受１２のフォイルホルダ２１の外周面に密着している。このような構成によれば、動圧軸受１２の周りにおいて弾性体１４の機能が等方的に発揮されうる。

弾性体１４の材料は特に限定されない。弾性体１４は、樹脂製であってもよく、金属製であってもよい。弾性体１４が樹脂製である場合、弾性体１４の形状に依らず、弾性体１４にゴム弾性を付与することができる。弾性体１４が金属製である場合、中空のＯリング、Ｃ形状の断面を有するＯリングのように、弾性を発揮しうる形状を持つ金属部材が本実施の形態における弾性体１４として適している。

弾性体１４は、動圧軸受１２から受ける荷重に応じた反力を回転軸１１の軸方向における軸受面の長さの範囲内において発生させる。つまり、弾性体１４の数が１つであっても複数であっても、全ての弾性体１４は、回転軸１１の軸方向において、軸受面の長さの範囲内に設けられている。このような構成によれば、予期せぬ振動の発生を回避しやすい。

回転軸１１の軸方向における軸受面の中心位置に荷重を加えたときに最も大きい反力が発揮されるように１又は複数の弾性体１４が配列されていてもよい。このとき、弾性体１４による効果が最大限に得られる。

本実施の形態において、軸受構造１００は、弾性体１４を１つのみ有する。この場合、剛性、減衰性などの軸受構造１００の特性をシミュレーションによって予測しやすい。さらに、部品間の寸法公差などの不可避的な誤差の問題が生じにくい。弾性体１４は、回転軸１１の軸方向における軸受面の中心位置に対応する位置に配置されている。

ただし、弾性体１４の数は特に限定されない。図３は、変形例における軸受構造１０１の断面図である。図３に示すように、回転軸１１の軸方向に平行な方向に複数の弾性体１４が配列されていてもよい。隣り合う弾性体１４の間隔は等間隔である。複数の弾性体１４は、並列ばねとして振舞う。複数の弾性体１４が回転軸１１の軸方向に配列されているとき、複数の弾性体１４を並列ばねとみなして軸受構造１０１の特性を予測しうる。

回転軸１１の軸方向に平行な方向に複数の弾性体１４が配列されているとき、弾性体１４の数は奇数であってもよい。言い換えれば、少なくとも１つの弾性体１４の数が奇数であってもよい。この場合、特定の弾性体１４は、回転軸１１の軸方向における軸受面の中心位置に対応する位置に配置されうる。このような構成によれば、軸方向に沿って動圧軸受１２に均一な支持力が作用しやすい。

なお、実際の製品では、同一の設計の複数の弾性体１４を使用したつもりでも、部品間の寸法公差が必ず存在する。組立誤差もある。この場合、軸受支持部材１３から動圧軸受１２に及ぶ支持力が軸方向において不均一となる可能性がある。この観点において、弾性体１４を１つのみ有する軸受構造１００（図１）は有利である。

図１に示すように、本実施の形態において、弾性体１４の断面の形状は矩形である。溝１３ｐの断面の形状も矩形である。ただし、回転軸１１に平行かつ回転軸１１の軸線Ｏを含む断面において、弾性体１４の断面の形状は特に限定されない。弾性体１４は、円形であってもよく、楕円形であってもよく、中空であってもよい。

軸受構造１００は、電動機２６（又は発電機）をさらに備えていてもよい。電動機２６は、回転軸１１に取り付けられている。回転軸１１の軸方向において、フォイルホルダ２１と電動機２６とが重複して存在する区間Ｐがある。その区間Ｐにおいて、フォイルホルダ２１の一部が電動機２６の一部によって囲まれている。詳細には、フォイルホルダ２１の一部は、電動機２６の巻線部２６ａによって囲まれている。つまり、フォイルホルダ２１が電動機２６の内部に少し入っている。本実施の形態において、軸受支持部材１３は、保持孔１３ｈの周りに設けられた環状の段差部１３ｄを有する。段差部１３ｄによって確保された空間に電動機２６の巻線部２６ａが収められている。このような構造は、より高い回転数に共振周波数が現れるように、回転軸１１を短く設計することを可能にする。なお、本実施の形態において、弾性体１４が１つのみ設けられていることは、十分な深さの段差部１３ｄを確保する観点において有利である。軸方向における隙間２４の長さが軸方向における軸受面の長さよりも短いことは、段差部１３ｄを確保することに貢献している。ただし、図３の変形例に示すように、軸方向における隙間２４の長さは、軸方向における軸受面の長さに一致していてもよい。

［１−２．動作］
以上のように構成された軸受構造１００について、図１に基づいて、その動作を以下説明する。

回転軸１１が回転すると、回転軸１１とフォイル２２との間の隙間に気体が吸引されて圧縮される。これにより、回転軸１１の半径方向に向かう高圧力が発生し、回転軸１１が所定の位置に保持される。フォイル２２が発生する高圧力は回転軸１１を支持する力となる。フォイル２２はフォイルホルダ２１に固定されているので、反力によるフォイル２２の移動が妨げられる。

回転軸１１は、フォイル２２、フォイルホルダ２１及び弾性体１４を介して、軸受支持部材１３によって所定の位置に保持される。回転軸１１は、製造上除去できない不釣り合い量を有している。この不釣り合い量は、「釣り合い良さ」とも称される。日本工業規格ＪＩＳ Ｂ ０９０５（１９９２）に規定されているように、回転機械の種類及び用途に応じて、推奨される釣り合い良さの等級及び上限値が存在する。回転軸１１が回転すると、不釣合い量と回転角速度との二乗の積で表される不釣合い力が発生する。回転軸１１とフォイル２２との間の隙間に気体が吸引されると、吸引された気体は、回転軸１１とフォイル２２との間の隙間に気体膜を発生させる。気体膜は、回転軸１１の周囲に存在する気体の圧力よりも高い圧力を有する。気体膜の圧力は、軸受構造１００における回転軸１１の支持力となる。気体膜の圧力は、主として、回転軸１１とフォイル２２との間に形成された空間の断面形状に依存する。断面形状は、回転軸１１に垂直な方向における断面における形状である。空間の断面形状は、気体膜の圧力に応じてフォイル２２が撓むことによって決定される。そのため、回転軸１１の回転数が一定の条件、即ち不釣合い力が一定の条件で不釣合い力と釣り合う最適な気体膜が発生するまでフォイル２２が撓む。これにより、軸方向に垂直な方向における気体膜の断面形状が決まる。

動圧軸受１２がリーフ型のフォイル軸受であるとき、各フォイル２２の一端がフォイルホルダ２１に固定される。各フォイル２２の他端部が自由端である。フォイル２２の他端部が回転軸１１によって押されると、半径方向へのフォイル２２の撓みに伴ってフォイル２２の他端部が周方向に滑動する。ただし、フォイル２２の長さは有限であるため、そのようなフォイル２２の変形にも限界がある。変形限界を超えると、回転軸１１の回転数が増えてもフォイル２２はそれ以上撓まず、気体膜の圧力が上がり、不釣合い力に応じた気体膜の圧力よりも高い圧力が発生する。その結果、気体膜による剛性が高まる。

弾性体１４は、フォイルホルダ２１と軸受支持部材１３との間に配置されている。したがって、弾性体１４は、気体膜と直列ばねを構成する。弾性体１４の剛性は、軸受構造１００の剛性として機能する。気体膜の剛性をＫ１と定義し、弾性体１４の剛性をＫ２と定義したとき、軸受構造１００の剛性Ｋは、下記式（１）で表される。式（１）によれば、軸受構造１００の剛性は、気体膜の剛性だけでなく、弾性体１４の剛性の影響も受ける。弾性体１４の剛性は不変であるため、気体膜の剛性だけが大幅に増えたとしても、弾性体１４によって軸受構造１００の全体の剛性の大幅な増加は抑制される。

Ｋ＝１／（Ｋ１^-1＋Ｋ２^-1）・・・（１）

［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、軸受支持部材１３とフォイルホルダ２１との間に少なくとも１つの弾性体１４が配置されている。

このような構成によれば、軸受構造１００の剛性は、空気膜と弾性体１４とが直列ばねとして振舞うモデルに基づいて計算される。弾性体１４の剛性は不変であるため、気体膜の剛性だけが大幅に増えたとしても、弾性体１４によって軸受構造１００の全体の剛性の増加は抑制される。気体膜の剛性が弾性体１４の剛性を上回ったとしても、同様である。その結果、高速回転域での共振が防止されるとともに不釣り合い力による振動も抑制され、ひいては、軸受構造１００の信頼性及び静粛性が向上する。

本実施の形態において、弾性体１４は、動圧軸受１２から受ける荷重に応じた反力を回転軸１１の軸方向における軸受面の長さの範囲内において発生させてもよい。このような構成によれば、予期せぬ振動の発生を回避しやすい。

本実施の形態において、弾性体１４は、リング状の部材であってもよく、周方向において軸受支持部材１３及びフォイルホルダ２１に密着していてもよい。このような構成によれば、動圧軸受１２の周りにおいて弾性体１４の機能が等方的に発揮されうる。

本実施の形態において、軸受支持部材１３は、回転軸１１の軸方向に平行な方向に貫通する保持孔１３ｈを有していてもよく、フォイルホルダ２１が軸受支持部材１３の保持孔１３ｈに配置されていてもよく、フォイルホルダ２１の外周面と軸受支持部材１３の保持孔１３ｈの内周面との間には、弾性体１４が弾性変形して回転軸１１の半径方向に動圧軸受１２が変位することを許容する隙間２４が存在していてもよい。隙間２４によって、弾性体１４の機能が確実に発揮されうる。

本実施の形態において、少なくとも１つの弾性体１４の数は、奇数であってもよい。このような構成によれば、軸方向に沿って動圧軸受１２に均一な支持力が作用しやすい。

本実施の形態において、軸受構造１００は、弾性体１４を１つのみ有していてもよい。この場合、剛性、減衰性などの軸受構造１００の特性をシミュレーションによって予測しやすい。さらに、部品間の寸法公差などの不可避的な誤差の問題が生じにくい。

本実施の形態において、少なくとも１つの弾性体１４は、複数の弾性体１４を含んでいてもよく、回転軸１１の軸方向において、複数の弾性体１４の全てが軸受面の長さの範囲内に設けられていてもよい。このような構成によれば、予期せぬ振動の発生を回避しやすい。

本実施の形態において、軸受構造１００は、回転軸１１に取り付けられた電動機２６（又は発電機）をさらに備えていてもよく、回転軸１１の軸方向において、フォイルホルダ２１と電動機２６（又は発電機）とが重複して存在する区間Ｐがあってもよく、当該区間Ｐにおいて、フォイルホルダ２１の一部が電動機２６（又は発電機）の一部によって囲まれていてもよい。このような構造は、より高い回転数に共振周波数が現れるように、回転軸１１を短く設計することを可能にする。

（実施の形態２）
以下、図４及び図５を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態１と同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。

［２−１．構成］
図４は、実施の形態２における軸受構造１０２の断面図である。軸受構造１０２は、弾性体３４を備えている。本実施の形態における弾性体３４の構造は、実施の形態１における弾性体１４の構造と異なる。この点を除き、本実施の形態の軸受構造１０２は、実施の形態１の軸受構造１００と同じ構成を有する。

回転軸１１に平行かつ回転軸１１の軸線Ｏを含む断面において、弾性体３４の断面形状は、溝１３ｐの断面形状と異なる。溝１３ｐは、弾性体３４の変形を許容する空間１７を有する。このような構成によれば、弾性体３４の弾性変形が確実に保証される。弾性体３４の剛性を一定に維持することも可能である。

図５は、弾性体３４の断面図である。弾性体３４は、外周部３４１、内周部３４２及び中間部３４３を有する。外周部３４１は、軸受支持部材１３に接する半径方向外周面３４ｐを含む環状の部分である。外周部３４１は、溝１３ｐに嵌められており、溝１３ｐによって拘束されている。内周部３４２は、フォイルホルダ２１に接する半径方向内周面３４ｑを含む環状の部分である。中間部３４３（起歪部）は、外周部３４１と内周部３４２とを接続している環状の部分である。本実施の形態では、外周部３４１のみが軸受支持部材１３に接している。内周部３４２のみがフォイルホルダ２１に接している。中間部３４３は、軸受支持部材１３にもフォイルホルダ２１にも接していない。つまり、弾性体３４は、軸受支持部材１３にもフォイルホルダ２１にも接していない部分として、中間部３４３を有する。回転軸１１に平行な軸方向における外周部３４１の寸法は、軸方向における中間部３４３の寸法よりも大きい。軸方向における内周部３４２の寸法は、軸方向における中間部３４３の寸法よりも大きい。本実施の形態において、弾性体３４は、Ｈ型の断面形状を有している。このような構成によれば、溝１３ｐの中で弾性体３４の変形が許容されるので、弾性体３４の機能を確実に発揮させることができる。つまり、軸受構造１０２の剛性の急激な増加を抑制できる。「寸法」は、最大寸法を意味する。

弾性体３４は、溝１３ｐに嵌められるときに捻じれにくい。そのため、周方向において弾性体３４が均一な剛性を発揮しやすい。

弾性体３４は、半径方向外周面３４ｐのみで軸受支持部材１３に接していてもよい。弾性体３４は、半径方向内周面３４ｑのみでフォイルホルダ２１に接していてもよい。

［２−２．動作］
以上のように構成された軸受構造１０２について、その動作を以下説明する。

先に説明したように、回転軸１１が回転すると不釣り合い力が発生する。弾性体３４の中間部３４３は、軸受支持部材１３にもフォイルホルダ２１にも拘束されていない部分である。そのため、不釣合い力によって弾性体３４が変形する際、弾性体３４の中間部３４３は自由に変形できる。弾性体３４と軸受支持部材１３との間に空間１７を確保することによって、弾性体３４の剛性が一定に維持されうる。これにより、軸受構造１０２の剛性の急激な増加が抑制される。不釣合い力が大きく、かつ、弾性体３４の変形が大きい条件においても、軸受構造１０２の剛性を設計通りの値に近づけることができる。その結果、高速回転域での共振が防止されるとともに不釣り合い力による振動も抑制され、ひいては、軸受構造１０２の信頼性及び静粛性が向上する。

［２−３．効果等］
本実施の形態において、フォイルホルダ２１及び軸受支持部材１３から選ばれる少なくとも１つは、弾性体３４が配置された溝１３ｐを有していてもよく、回転軸１１に平行かつ回転軸１１の軸線Ｏを含む断面において、弾性体３４の断面形状は、溝１３ｐの断面形状と異なっていてもよく、溝１３ｐは、弾性体３４の変形を許容する空間１７を有していてもよい。このような構成によれば、弾性体３４の弾性変形が確実に保証される。

本実施の形態において、弾性体３４は、軸受支持部材１３に接する半径方向外周面３４ｐを含む外周部３４１と、フォイルホルダ２１に接する半径方向内周面３４ｑを含む内周部３４２と、外周部３４１と内周部３４２とを接続している中間部３４３とを有していてもよく、外周部３４１のみが軸受支持部材１３に接していてもよく、内周部３４２のみがフォイルホルダ２１に接していてもよい。このような構成によれば、溝１３ｐの中で弾性体３４の変形が許容されるので、弾性体３４の機能を確実に発揮させることができる。

（実施の形態３）
以下、図６及び図７を用いて、実施の形態３を説明する。実施の形態１と同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。

［３−１．構成］
図６は、実施の形態３における軸受構造１０３の断面図である。軸受構造１０３は、弾性体４４を備えている。本実施の形態における弾性体４４の構造は、実施の形態１における弾性体１４の構造と異なる。この点を除き、本実施の形態の軸受構造１０３は、実施の形態１の軸受構造１００と同じ構成を有する。

本実施の形態において、弾性体４４は、フォイルホルダ２１に線接触することによってフォイルホルダ２１を支持している。回転軸１１が重心位置を中心とした歳差運動を行うと、動圧軸受１２に大きい振幅が与えられるモードの振動が惹起される。このとき、弾性体４４がフォイルホルダ２１に線接触していると、弾性体４４とフォイルホルダ２１との接触面において摩擦が発生しうる。その結果、回転軸１１から動圧軸受１２に伝達される振動を減衰することができる。

本実施の形態においても、弾性体４４の断面形状は、溝１３ｐの断面形状と異なる。溝１３ｐは、弾性体４４の変形を許容する空間１７を有する。

図６は、弾性体４４の断面図である。弾性体４４は、外周部４４１及び内周部４４２を有する。外周部４４１は、軸受支持部材１３に接する半径方向外周面４４ｐを含む環状の部分である。外周部４４１は、溝１３ｐに嵌められており、溝１３ｐによって拘束されている。内周部４４２（起歪部）は、フォイルホルダ２１に接する半径方向内周面４４ｑを含む環状の部分である。半径方向内周面４４ｑは、断面において円弧状の輪郭を呈する曲面である。内周部４４２は、外周部４４１からフォイルホルダ２１に向かって半径方向に延びている。本実施の形態では、外周部４４１のみが軸受支持部材１３に接している。内周部４４２のみがフォイルホルダ２１に接している。回転軸１１に平行な軸方向における外周部４４１の寸法は、軸方向における内周部４４２の寸法よりも大きい。本実施の形態において、弾性体４４は、Ｔ型の断面形状を有している。

弾性体４４は、溝１３ｐに嵌められるときに捻じれにくい。そのため、周方向において弾性体４４が均一な剛性を発揮しやすい。

［３−２．動作］
先に説明したように、回転軸１１が回転すると不釣り合い力が発生する。弾性体４４の内周部４４２は、軸受支持部材１３にもフォイルホルダ２１にも拘束されていない部分である。そのため、不釣合い力によって弾性体４４が変形する際、弾性体４４の内周部４４２は自由に変形できる。弾性体４４と軸受支持部材１３との間に空間１７を確保することによって、弾性体４４の剛性が一定に維持されうる。これにより、軸受構造１０３の剛性の急激な増加が抑制される。不釣合い力が大きく、かつ、弾性体４４の変形が大きい条件においても、軸受構造１０３の剛性を設計通りの値に近づけることができる。その結果、高速回転域での共振が防止されるとともに不釣り合い力による振動も抑制され、ひいては、軸受構造１０３の信頼性及び静粛性が向上する。弾性体４４がフォイルホルダ２１に線接触しているので、弾性体４４とフォイルホルダ２１との接触面において摩擦が発生しうる。これにより、優れた減衰能が軸受構造１０３に付与されうる。

［３−３．効果等］
本実施の形態において、弾性体４４は、フォイルホルダ２１に線接触することによってフォイルホルダ２１を支持してもよい。このような構成によれば、弾性体４４とフォイルホルダ２１との接触面において摩擦を発生させ、回転軸１１から動圧軸受１２に伝達される振動を効果的に減衰することができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１から３を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１から３で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

弾性体の構造は特に限定されない。例えば、フォイルホルダ２１の周囲に配置された円筒状のケーシングの中に複数の金属ばねが配置されていてもよい。このようなケーシングは、所望の弾性を発揮しうる。

弾性体の断面形状は、Ｈ型及びＴ型に限られず、円形、楔形などの加工の都合に配慮した形状であってもよい。

弾性体の半径方向内周面の形状は曲面に限定されない。回転軸１１に平行かつ回転軸１１の軸線Ｏを含む断面において、弾性体は、フォイルホルダ２１に接触する頂点を有する楔形であってもよい。頂点の数は１つであってもよく、複数であってもよい。つまり、回転軸１１に平行かつ回転軸１１の軸線Ｏを含む断面において、弾性体の半径方向内周面は、軸方向に沿った複数の点に接する複数の頂点を有していてもよい。

回転軸１１の他端部は、任意の軸受によって支持されうる。任意の軸受は、動圧軸受であってもよく、静圧軸受、転がり軸受などの別の種類の軸受であってもよい。例えば、回転軸１１の両端部のそれぞれが動圧軸受１２によって支持される場合、動圧軸受１２のそれぞれに本実施の形態の軸受構造を採用することができる。

回転軸１１は、いわゆる膨張機一体型圧縮機の回転軸であってもよい。膨張機一体型圧縮機において、回転軸１１の一端部にタービンホイールが取り付けられ、回転軸１１の他端部にインペラが取り付けられ、タービンホイールとインペラとの間に電動機２６が配置されうる。この種の膨張機一体型圧縮機においては、タービンホイールによって回収された動力がインペラによる仕事の一部に利用される。圧縮機と膨張タービンとによって回転軸１１が共用されている場合、圧縮機における軸受構造として、膨張タービンにおける軸受構造と同一の構造（剛性）の軸受構造が採用されうる。もちろん、圧縮機における軸受構造は、膨張タービンにおける軸受構造と異なっていてもよい。圧縮機および膨張タービンの少なくとも１つに本実施の形態の軸受構造が採用されうる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示の技術は、圧縮機、膨張タービン、排気ガスタービン過給機などの回転機械に適用可能である。

１１ 回転軸
１２ 動圧軸受
１３ 軸受支持部材
１３ｄ 段差部
１３ｈ 保持孔
１３ｐ 溝
１４，３４，４４ 弾性体
１６ 回転要素
１７ 空間
２１ フォイルホルダ
２２ フォイル
２２ａ トップフォイル
２２ｂ バンプフォイル
２２ｃ リーフフォイル
２４ 隙間
２６ 電動機
２６ａ 巻線部
３４ｐ，４４ｐ 半径方向外周面
３４ｑ，４４ｑ 半径方向内周面
１００，１０１，１０２，１０３ 軸受構造
３４１，４４１ 外周部
３４２，４４２ 内周部
３４３ 中間部
Ｏ 軸線
Ｐ 区間

Claims (11)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の周囲に配置されて軸受面を構成しているフォイル、及び、前記フォイルを保持しているフォイルホルダを有する動圧軸受と、
   前記動圧軸受の周囲に配置されて前記動圧軸受を支持する軸受支持部材と、
   前記軸受支持部材と前記フォイルホルダとの間に配置された少なくとも１つの弾性体と、
   を備えた、軸受構造。
2. 前記弾性体は、前記動圧軸受から受ける荷重に応じた反力を前記回転軸の軸方向における前記軸受面の長さの範囲内において発生させる、
   請求項１に記載の軸受構造。
3. 前記弾性体は、リング状の部材であり、周方向において前記軸受支持部材及び前記フォイルホルダに密着している、
   請求項１又は２に記載の軸受構造。
4. 前記軸受支持部材は、前記回転軸の軸方向に平行な方向に貫通する保持孔を有し、
   前記フォイルホルダが前記軸受支持部材の前記保持孔に配置されており、
   前記フォイルホルダの外周面と前記軸受支持部材の前記保持孔の内周面との間には、前記弾性体が弾性変形して前記回転軸の半径方向に前記動圧軸受が変位することを許容する隙間が存在する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の軸受構造。
5. 前記フォイルホルダ及び前記軸受支持部材から選ばれる少なくとも１つは、前記弾性体が配置された溝を有し、
   前記回転軸に平行かつ前記回転軸の軸線を含む断面において、前記弾性体の断面形状は、前記溝の断面形状と異なり、
   前記溝は、前記弾性体の変形を許容する空間を有する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の軸受構造。
6. 前記弾性体は、前記軸受支持部材に接する半径方向外周面を含む外周部と、前記フォイルホルダに接する半径方向内周面を含む内周部と、前記外周部と前記内周部とを接続している中間部とを有し、
   前記外周部のみが前記軸受支持部材に接し、
   前記内周部のみが前記フォイルホルダに接している、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の軸受構造。
7. 前記弾性体は、前記フォイルホルダに線接触することによって前記フォイルホルダを支持する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の軸受構造。
8. 前記少なくとも１つの弾性体の数が奇数である、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の軸受構造。
9. 前記軸受構造は、前記弾性体を１つのみ有する、
   請求項８に記載の軸受構造。
10. 前記少なくとも１つの弾性体は、複数の前記弾性体を含み、
    前記回転軸の軸方向において、複数の前記弾性体の全てが前記軸受面の長さの範囲内に設けられている、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の軸受構造。
11. 前記回転軸に取り付けられた電動機又は発電機をさらに備え、
    前記回転軸の軸方向において、前記フォイルホルダと前記電動機又は発電機とが重複して存在する区間があり、
    前記区間において、前記フォイルホルダの一部が前記電動機又は発電機の一部によって囲まれている、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の軸受構造。

Images