JP4615581B2 - 流体軸受および流体軸受の製造方法 - Google Patents

Description

本願は流体軸受に関する。一例として、流体軸受は、例えば、空気サイクル機械、ラムエアファン、および／またはモータ被動コンプレッサなどでスラスト軸受として使用することができる。本願は、２００７年４月２３日に出願した米国特許仮出願第６０／９１３，４８７号に対する優先権を主張するものである。

流体軸受は、ハウジングなどの固定部品と、５００００ＲＰＭを超える速度で回転できるディスクまたはスラストランナとの間で使用される。流体軸受は、固定した部品とスラストランナとの間に潤滑をもたらす空気膜を維持することで機能する。流体軸受は、十分な空気膜とともに低速で動作しなければならない。できるだけ少ない部品点数で流体軸受を製造することが望まれる。

先行技術の構成では、流体軸受は、複数のトップフォイルが固定された主フォイルを有する。バンプフォイルは、主フォイルに隣接して各トップフォイルの下に配置される。スペーサは、主フォイルの、トップフォイルおよびバンプフォイルとは反対の側に配置される。この構成では、バンプフォイル上にトップフォイルを配置するために、曲げ部や階段状部を使用するより複雑なトップフォイル設計が必要とされる。この階段状部は、幾つかの問題を引き起こす。第１に、空気圧力は回転速度に関係しているので、階段状部によって抗力が発生するのに伴い、十分な圧力を発生させてトップフォイルを所望の空力性能とするために、より速い速度が必要とされる。第２に、階段状部により、フォイル間での漏れが増大するようになった。

より空力的な流体軸受が必要とされている。現状の空気軸受は、かなり複雑で多くの部品を必要とする。したがって、部品点数を低減し、製造工程を簡素化することも望ましい。

軸方向に離間した内側面および外側面を有する環状の主フォイルを含む流体軸受が提示される。バンプフォイルは、外側面で円周方向に支持される。トップフォイルは、バンプフォイルとは反対側の内側面で円周方向に支持される。１つの実施例では、スペーサがトップフォイルと主フォイルの間に配置される。トップフォイルは、トップフォイルの前縁から後縁に延びる山状部分を有し、この山状部分は、空力的に効率のよいなだらかな湾曲部を形成する。１つの実施例として、一体型スペーサを形成するために、主フォイルを化学エッチングしてスペーサを形成することができる。

バンプフォイルは、それぞれ第１および第２の軸方向高さをなす第１および第２の波形部分を有する。第１の軸方向高さは、第２の軸方向高さよりも低く、流体軸受を横断する空気流の方向を基準としてバンプフォイルの前縁部に配置される。

その結果、例示的な実施形態は、低速にあって空気膜を維持し、その一方で、部品点数を低減する流体軸受を提示する。

例示的な実施形態についての以下の詳細な説明から、本願の様々な特徴および利点が当業者に明らかになるであろう。

エアサイクル機械、ラムエアファン、またはモータ被動コンプレッサなどの回転機械１０が、図１に概略的に示されている。機械１０は、軸Ａのまわりに回転するシャフト１２を有する。シャフト１２はハウジング１４内に配置されている。環状のスラストランナ１６は、シャフト１２から半径方向に延びている。示した実施例では、スラスト軸受１８は、スラストランナ１６の両側に配置されている。スラストランナ１６およびスラスト軸受１８は、ハウジング１４と、例えば、固定要素２２でハウジング１４に固定されたハウジング部品２０との間に保持されている。

ハウジング１４内の流路（図示せず）からスラスト軸受１８に空気が供給される。ハウジング１４に対してシャフト１２が回転している間、スラスト軸受１８とスラストランナ１６との間に流体層または空気膜が形成されて、摩擦を軽減する。この潤滑用空気膜は、図２〜図４の矢印で示されている。流路からスラスト軸受１８に送られた空気はまた、スラスト軸受１８を冷却するためにも使用される。

図２から図４を参照すると、スラスト軸受１８は、軸方向に離間した内側面２７および外側面２９を有する主プレート２８を含んでいる。示した実施例では、内側面２７および外側面２９はそれぞれ、スラストランナ１６およびハウジング１４の近くに配置されている。しかし、当然のことながら、内側面２７と外側面２９を逆にすることができ、「内側」および「外側」という用語は、限定するものと解釈すべきではない。主プレート２８は、切欠３２を有するタブ３４を含んでおり、これらのタブは、スラスト軸受の回転を防止するように、スラスト軸受１８をハウジング１４に対して円周方向に位置決めするのに使用される。

例示的な実施形態では、主プレート２８は、内側面２７で円周方向に配置された複数のトップフォイル２４を支持している。空気膜はトップフォイル上に形成されて、スラスト軸受１８とスラストランナ１６との間の摩擦を軽減する。複数のバンプフォイル２６は、外側面２９で円周方向に配置され、通常、トップフォイル２４の下側に整列される。バンプフォイル２６は、スラストランナ１６からの軸方向荷重をスラスト軸受１８全体に分散させる。

トップフォイル２４は、前縁部３６を有し、前縁部３６は、スポット溶接などによって主プレート２８に固定される。トップフォイル２４は、前縁部３６から後縁部４０に延びており、内側面２７から離れるように、なだらかにかつ漸進的に湾曲する、山状面（ｃｒｏｗｎｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）または部分３８を形成している。必要に応じて、山状面３８をなくすこともできる。「前」縁および「後」縁という用語は、図２〜図４に矢印で示した空気流の方向に基づいている。先行技術のトップフォイルとは異なり、トップフォイル２４には、前縁部３６に急激な階段状部がなく、これは、十分な空気膜の形成を可能にして、低速での空力効率を改善する。

例示的な実施形態では、トップフォイル２４と主プレート２８との間にスペーサ３０が配置されて、トップフォイル２４からバンプフォイル２６に軸方向荷重を所望の態様で分散させる。トップフォイル２４の外側面５０は、トップフォイル２４とスラストランナ１６との間の摩擦を軽減するために、テフロン（登録商標）などの摩擦防止材料が被覆されている。示した実施例では、トップフォイル２４の内側面５２は、対応するスペーサ３０と係合している。実施例では、トップフォイル２４は、主プレート２８の内周部４６と外周部４８との間で半径方向に延びている。スペーサ３０は、内周部４６および外周部４８から引っ込んでいて、それらの半径方向縁部でトップフォイル２４によって覆われている。実施例では、スペーサ３０は、前縁部４２および後縁部４４を有する。前縁部４２は、トップフォイル２４の下に配置されている。後縁部４４は、トップフォイル２４の後縁部４０を越えて延びている。図４に示す実施例では、スペーサ３０の後縁部４４は、例えば、スポット溶接によって内側面に固定されている。

図５を参照すると、主プレート２８の内側面２７を化学エッチングすることによって、主プレート２８からスペーサ１３０を形成することができて、スペーサ１３０は、内側面２７から隆起した（すなわち、突出した）特徴部によってもたらされる。このように、スペーサ１３０は主プレート２８と一体的に形成され、そのため、独立したスペーサがなくなる。

図６に最もよく示されるように、バンプフォイル２６は、第１の波形部分５４および第２の波形部分５６を有する。第１の波形部分５４および第２の波形部分５６はそれぞれ、第１の軸方向高さＨ１および第２の軸方向高さＨ２を有する。第１の軸方向高さＨ１は、第２の軸方向高さＨ２より低くなっている。バンプフォイルは、第１の波形部分５４が第２の波形部分５６と固定要素６４との間に配置されるように、第１の波形部分５４に近接した前縁部でスポット溶接などの固定要素６４によって固定される。示した実施例では、第１の波形部分５４および第２の波形部分５６はそれぞれ山頂部と谷間部を有し、これら山頂部および谷間部は、それぞれ第１の軸方向高さＨ１および第２の軸方向高さＨ２を規定する。谷間部６０は、外側面２９と当接して配置され、山頂部５８は、ハウジング１４と係合するように構成されている。示した実施例では、波形はそれぞれ、２つの山頂部５８の間に配置された窪み部６２を有し、各山頂部５８は、窪み部６２と谷間部６０との間に配置されている。第１の波形部分５４は、第２の波形部分５６よりも高さが低くて、バンプフォイル２６の前縁部を越える空気流の空力効率を改善する。１つの実施例では、第１の軸方向高さＨ１は、第２の軸方向高さＨ２の１／３の高さとされる。別の実施例では、第１の軸方向高さＨ１は、第２の軸方向高さＨ２の３／４の高さとされる。

例示的な実施形態を説明したが、当業者には、特定の修正が請求項の範囲に入ることが分かるであろう。そうした理由から、添付の特許請求の範囲を検討して、請求項の真の範囲と趣旨を確定すべきである。

回転アセンブリに配置された流体スラスト軸受の概略図である。 例示的な流体軸受の上面図である。 図２に示す流体軸受の底面図である。 線４−４に沿って切り取った図２に示す流体軸受の断面図である。 主フォイル内でスペーサを化学エッチングした図４に示す流体軸受の部分拡大図である。 図４に示す流体軸受の、バンプフォイルの前縁領域の拡大断面図ある。

Claims (16)

1. 軸方向に離間した内側面および外側面を有する環状の主フォイルと、
   前記主フォイルの外側面において円周方向に支持された波形をなすバンプフォイルと、
   前記バンプフォイルと対向する側に位置するように前記主フォイルの内側面において円周方向に支持されたトップフォイルと、
   を有し、
   前記バンプフォイルおよび前記トップフォイルは、前縁部において主フォイルの外側面および内側面にそれぞれ固定され、
   前記トップフォイルから前記バンプフォイルに軸方向の荷重を分散するように、前記トップフォイルと前記主フォイルの内側面との間に平坦なスペーサが配設されることを特徴とする流体軸受。
2. 前記スペーサは、後縁部で前記内側面に固定されることを特徴とする請求項１に記載の流体軸受。
3. 前記スペーサの前記後縁部は、前記トップフォイルの後縁部を越えて円周方向に延びることを特徴とする請求項２に記載の流体軸受。
4. 前記トップフォイルは、前記前縁部の反対側の後縁部を含むとともに、前記前縁部から前記後縁部に延びて、かつ前記内側面から離れるように漸次的に湾曲する、山状面を有することを特徴とする請求項１に記載の流体軸受。
5. 前記スペーサは、前記主フォイルと一体化され、前記内側面から隆起していることを特徴とする請求項１に記載の流体軸受。
6. 内側面および外側面を有する環状の主フォイルと、
   前記主フォイルに固定されたバンプフォイルと、
   前記バンプフォイルと対向する側に位置するように主フォイルの内側面において円周方向に支持されたトップフォイルと、
   を備え、
   前記バンプフォイルが、前記主フォイルの外側面からそれぞれ第１および第２の軸方向高さをなす第１および第２の波形部分を有し、前記第１の軸方向高さは、前記第２の軸方向高さよりも低く、
   前記バンプフォイルおよび前記トップフォイルは、前縁部において主フォイルの外側面および内側面にそれぞれ固定され、
   前記トップフォイルから前記バンプフォイルに軸方向の荷重を分散するように、前記トップフォイルと前記主フォイルの内側面との間に平坦なスペーサが配設されることを特徴とする流体軸受。
7. 前記バンプフォイルは、前記第１の波形部分の近傍で、固定要素によって前記面に固定され、前記第１の軸方向高さが、前記第２の波形部分と前記固定要素との間に構成されることを特徴とする請求項６に記載の流体軸受。
8. 前記第１および第２の波形部分はそれぞれ、山頂部と谷間部を有し、前記谷間部は前記面と係合し、前記第１の軸方向高さは、第１の山頂部と第１の谷間部との間に規定され、前記第２の軸方向高さは、第２の山頂部と第２の谷間部との間に規定されることを特徴とする請求項６に記載の流体軸受。
9. 前記第１および第２の波形部分はそれぞれ、各谷間部に対向する一対の山頂部の間に窪み部を有することを特徴とする請求項８に記載の流体軸受。
10. 前記固定要素は、前記バンプフォイルの前縁部に配置されることを特徴とする請求項７に記載の流体軸受。
11. 前記固定要素が、スポット溶接であることを特徴とする請求項１０に記載の流体軸受。
12. 請求項１に記載の流体軸受を製造する方法であって、
    面を備えた主フォイルを用意するステップと、
    前記面を加工して、前記面から隆起したスペーサを設ける加工ステップと、
    を有することを特徴とする流体軸受の製造方法。
13. 前記加工ステップは、前記面を化学エッチングして前記スペーサを形成することを特徴とする請求項１２に記載の流体軸受の製造方法。
14. トップフォイルを前記スペーサの上側の前記面に固定するステップを有することを特徴とする請求項１２に記載の流体軸受の製造方法。
15. 前記スペーサとは反対側で、前記トップフォイルに摩擦防止コーティングを塗布するステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の流体軸受の製造方法。
16. 前記面の反対側にある別の面上でかつ前記スペーサの下側で、バンプフォイルを前記主フォイルに固定するステップを有することを特徴とする請求項１２に記載の流体軸受の製造方法。

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