JP5531995B2 - 動圧気体軸受 - Google Patents

Description

本発明は、航空機のエアサイクルマシン、ヘリウム液化装置の膨張タービン、自動車のターボチャージャ等の高速回転機械に使用される軸受に関し、特に、軸を取り付ける対象である軸受部材と軸に設けた回転受圧部との間に形成された気体膜により荷重を支持する動圧気体軸受に関する。

高速回転機械用に使用される軸受として、軸を取り付ける対象である軸受部材と軸との間に設けられ、軸の回転の際に気体膜を形成すべく前記軸との間に気体膜を形成するアッパフォイルと、このアッパフォイルと前記軸受部材との間に配してなり前記アッパフォイルを前記軸側に弾性付勢する凸部を有するバンプフォイルとを具備し、前記気体膜の潤滑作用により荷重を支持する動圧気体軸受が従来知られている（例えば、特許文献１を参照）。

ここで、前記特許文献１記載の構成では、前記バンプフォイルは高い剛性を有するので、軸受として高い負荷容量を実現することができる。しかし、バンプフォイルが高い剛性を有することから、軸受部材の加工の際の誤差や、運転中の温度変化及び遠心力による寸法変化等の影響により、アッパフォイルと軸との間の隙間の形状が変化しやすく、軸受として安定した性能を得ることが困難であるという問題があった。

一方、前記アッパフォイルと前記軸受部材との間に、前記バンプフォイルに替えて、板状をなすとともに軸受部材との間に隙間を形成した状態で配してなるプレーンフォイルを備える動圧気体軸受も従来知られている（例えば、特許文献２を参照）。

ここで、前記特許文献２記載の構成では、プレーンフォイルの剛性は前記特許文献１記載の構成におけるバンプフォイルよりも低いので、このプレーンフォイルが変形することにより軸受部材の加工の際の誤差や、運転中の温度変化及び遠心力による寸法変化等の影響を吸収することができる。しかし、プレーンフォイルの剛性が低いことから、軸受として高い負荷容量を実現することが困難であるという別の問題があった。

そこで、軸受部材の加工精度や温度変化等による寸法変化に対する許容度が高く、その上で軸受として高い負荷容量を実現可能な動圧気体軸受が要望されてきている。

米国特許第４４１５２８０号公報 米国特許第４５２６４８３号公報

本発明は以上の点に着目したものであり、軸受部材の加工精度や温度変化等による寸法変化に対する許容度が高く、その上で軸受として高い負荷容量を実現可能な動圧気体軸受を提供することを所期の目的とする。

すなわち本発明に係る動圧気体軸受は、軸を取り付ける対象である軸受部材と軸との間に設けられ、軸の回転の際に気体膜を形成すべく前記軸との間に気体膜を形成するアッパフォイルと、このアッパフォイルと前記軸受部材との間に配してなり前記アッパフォイルを前記軸側に弾性付勢する凸部を有するとともに外部から作用を受けない状態で前記軸受部材との間に隙間を形成する複数枚のバンプフォイルとを具備するものであって、軸が回転していない状態ではバンプフォイルの凸部以外の部位と軸受部材の内面との間に隙間が形成されており、軸が回転するとバンプフォイルが凸部以外の部位と軸受部材との隙間を小さくすべく弾性変形し、バンプフォイルが軸受部材に圧接した状態となった際にバンプフォイルの凸部が弾性変形することを特徴とする。

このようなものであれば、低負荷時にはバンプフォイルと軸受部材との間の隙間を小さくすべくバンプフォイルが撓むことにより軸受部材側の加工の際の誤差を吸収するとともに、高負荷時にはバンプフォイルの凸部が弾性変形することにより軸受全体としての剛性を確保することができる。すなわち、軸受部材側に高い加工精度を要求することなく軸受全体としての剛性を確保することができる。

軸受全体としての耐荷重性をさらに確保するための態様として、前記アッパフォイルと前記バンプフォイルとの間に、アンダフォイルを備えているものが挙げられる。

前記アッパフォイル及び前記アンダフォイルの周方向の位置決めを行うための構成の一例として、前記アッパフォイル及び前記アンダフォイルの一端部を外方に屈曲させてフィンを形成し、前記軸受部材に前記フィンと係合可能な溝を設けているものが挙げられる。

また、前記各バンプフォイルの周方向の位置決めを行うための構成の一例として、前記各バンプフォイルの一端部を外方に屈曲させてフィンを形成しているとともに、前記軸受部材に前記フィンと係合可能な溝を設けているものが挙げられる。

一方、前記アッパフォイル、前記アンダフォイル及び前記各バンプフォイルの一端部を外方に屈曲させてフィンを形成し、前記アッパフォイル、前記アンダフォイル及び前記バンプフォイルのフィンの位置を軸の回転方向に対して互い違いに設定しているとともに、前記軸受部材に前記フィンと係合可能な溝を設けているものであれば、前記アッパフォイル、前記アンダフォイル及び前記各バンプフォイルの周方向の位置決めを容易に行うことができるのに加えて、気体膜の圧力を受けた際に、前記アッパフォイルと前記アンダフォイルとが反対側に移動しつつ摺動し、前記アンダフォイルと前記バンプフォイルとが互いに反対側に移動しつつ摺動する。従って、この摺動の際に振動エネルギーを熱エネルギー等に変換して振動を抑制する効果であるダンピング効果を好適に得ることができる。

また、アンダフォイルを省略した態様であっても、前記アッパフォイルの一端部を外方に屈曲させてフィンを形成し、前記ハウジングに前記フィンと係合可能な溝を設けているものであれば、最低限前記アッパフォイルの周方向の位置決めを容易に行うことができる。

前記アッパフォイル及び前記バンプフォイルのフィンの位置の設定の一態様として、前記アッパフォイル及び前記バンプフォイルのフィンの位置を、軸の回転方向に対して同じ側に設定しているものが挙げられる。

また、前記アッパフォイルのフィンの位置を下流側端縁に設定しているものであれば、アッパフォイルの上流側端縁が自由端、下流側端縁が固定端となるので、アッパフォイルと軸との間の気体膜の形状を、下流側に向けて幅が狭くなるクサビ状にできる。

そして、前記バンプフォイルの少なくともいずれか１つに、凸部を有しない平板状ないし円弧状の板状部材を重ね合わせているものであれば、この板状部材によりバンプフォイルの剛性を補強できるとともに、軸受部材との隙間や予荷重を調整することができる。

その上で、前記板状部材の一端部を外方に屈曲させてフィンを形成し、前記ハウジングに前記フィンと係合可能な溝を設けているものであれば、この板状部材の周方向の位置決めを容易に行うことができる。

本発明によれば、軸受部材の加工精度や温度変化等による寸法変化に対する許容度が高く、その上で軸受として高い負荷容量を実現可能な動圧気体軸受を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る動圧気体軸受を示す概略図。 同実施形態に係る動圧気体軸受を示す分解斜視図。 本発明の他の実施形態に係る動圧気体軸受を示す概略図。 本発明の他の実施形態に係る動圧気体軸受を示す概略図。

本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ以下に述べる。

本実施形態に係る動圧気体軸受は、図１及び図２に示すように、本実施形態に係る軸受は、軸２を取り付ける対象である軸受部材たる軸受ハウジング１と軸２との間に設けられるフォイル型のジャーナル軸受である。すなわち、前記軸受ハウジング１の内壁１ａに設けられ、軸２の回転の際に気体膜Ｓを形成すべく前記軸２との間に気体膜Ｓを形成するアッパフォイル３と、このアッパフォイル３と前記軸受ハウジング１との間に配してなり前記アッパフォイル３を前記軸２側に弾性付勢する凸部５ｂを有するとともに外部から作用を受けない状態で前記軸受ハウジング１との間に隙間ＳＳを形成する複数枚のバンプフォイル５と、前記アッパフォイル３と前記バンプフォイル５との間に配してなるアンダフォイル４とを具備する。

前記アッパフォイル３は、全体が１枚の板状をなす円筒状の部材であり、軸２に対向するとともに軸２との間に気体膜Ｓを形成する。また、その一端縁、具体的には下流側端縁に、外方に屈曲したフィン３ａを有する。このフィン３ａは、軸受ハウジング１に設けた凹部１ｘに係合することにより、このアッパフォイル３の周方向の位置決めを行う機能を有する。

前記アンダフォイル４は、全体が１枚の板状をなす円筒状の部材であり、前記アッパフォイル３の軸受ハウジング１側の面に対向する。また、その一端縁、具体的には上流側端縁に、外方に屈曲したフィン４ａを有する。このフィン４ａは、軸受ハウジング１に設けた凹部１ｘに係合することにより、このアンダフォイル４の周方向の位置決めを行う機能を有する。

前記バンプフォイル５は、本実施形態ではそれぞれが軸受ハウジング１の内周面のうち約５分の１ずつを被覆する５枚の平板状の部材である。このバンプフォイル５は、その全体に軸２方向に突出した凸部５ｂを有する。この凸部５ｂは、前記アッパフォイル３が気体膜Ｓから圧力を受けた際に突出幅が小さくなるよう弾性変形することにより、前記アッパフォイル３及び前記アンダフォイル４を軸２側に向けて弾性付勢し、気体膜Ｓの形状を保持する機能を有する。また、このバンプフォイル５を軸受ハウジング１に取り付けた状態で、軸２が回転していない状態ではこのバンプフォイル５と軸受ハウジング１の内面との間に隙間ＳＳが形成されている。そして、このバンプフォイル５の一端縁、具体的には下流側端縁に、外方に屈曲したフィン５ａを有する。このフィン５ａは、軸受ハウジング１に設けた凹部１ｙに係合することにより、このバンプフォイル５の周方向の位置決めを行う機能を有する。

ここで、軸２が回転すると、軸２とアッパフォイル３との隙間の空気等の気体が気体の粘性により引張られ、この隙間に形成してなる気体膜Ｓの圧力が上昇する。この圧力上昇によって、まず、アッパフォイル３が軸受ハウジング１側に向かう作用を受ける。この際、前記アッパフォイル３はアンダフォイル４に圧接し、アンダフォイル４はバンプフォイル５に圧接する。すなわち、アンダフォイル４及びバンプフォイル５も軸受ハウジング１側に向かう作用を受ける。これを受けて、バンプフォイル５は軸受ハウジング１との隙間ＳＳを小さくすべく、弾性変形する。また、前記気体膜Ｓの圧力が大きくなりバンプフォイル５の周方向中間部と軸受ハウジング１との間の隙間ＳＳが略なくなった際には、バンプフォイル５は軸受ハウジング１に圧接した状態を保ちつつ凸部５ｂが弾性変形し、アンダフォイル４及びアッパフォイル３を軸２側に向けて弾性付勢する。そして、気体膜Ｓの形状が、入口部分から下流側に進むにつれ幅が小さくなるクサビ状に維持され、前記アッパフォイル３の下流側端縁近傍すなわち自由端近傍で気体の圧力上昇が生じる。この圧力上昇により軸受は軸２を非接触で支えることになる。

以上に述べたように、本実施形態に係る動圧気体軸受の構成によれば、低負荷時にはバンプフォイル５が軸受ハウジング１との間の隙間ＳＳを小さくすべく撓むことにより軸受ハウジング１側の加工の際の誤差を吸収するとともに、高負荷時にはバンプフォイル５の凸部５ｂが弾性変形することにより軸受全体としての剛性を確保することができる。すなわち、軸受ハウジング１側に高い加工精度を要求することなく軸受全体としての剛性を確保することができる。

また、前記アッパフォイル３と前記バンプフォイル５との間に、アンダフォイル４を備えているので、軸受全体としての耐荷重性をさらに確保することができる。

さらに、前記アッパフォイル３、前記アンダフォイル４及び前記各バンプフォイル５の一端部を外方に屈曲させてフィン３ａ、４ａ、５ａを形成し、前記軸受ハウジングに前記フィン３ａ、４ａ、５ａと係合可能な溝１ｘ、１ｙを設けているので、これらアッパフォイル３、アンダフォイル４及び各バンプフォイル５の周方向の位置決めを容易に行うことができる。

その上で、前記アッパフォイル３、前記アンダフォイル４及び前記バンプフォイル５のフィン３ａ、４ａ、５ａの位置を軸２の回転方向に対して互い違いに設定しているので、気体膜Ｓの圧力を受けた際に、前記アッパフォイル３と前記アンダフォイル４とが反対側に移動しつつ摺動し、前記アンダフォイル４と前記バンプフォイル５とが互いに反対側に移動しつつ摺動する。従って、この摺動の際に振動エネルギーを熱エネルギー等に変換して振動を抑制する効果であるダンピング効果を好適に得ることができる。

加えて、前記アッパフォイル３のフィン３ａの位置を下流側端縁に設定しているので、アッパフォイル３の上流側端縁が自由端、下流側端縁が固定端となり、従って、アッパフォイル３と軸２との間の気体膜Ｓの形状を、下流側に向けて幅が狭くなるクサビ状にできる。

加えて、前記バンプフォイル５がそれぞれ平板状であるので、このようなバンプフォイル５の成形を容易に行うことができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らず、種々に変形してよい。

例えば、上述した実施形態では、アッパフォイルとバンプフォイルとの間にアンダフォイルを配しているが、アンダフォイルは省略してもよい。この場合、例えばアッパフォイルの下流側端縁及びバンプフォイルの上流側端縁を外方に屈曲させてフィンを設け、これらのフィンを軸受ハウジング（軸受部材）に設けた凹部に係合させることにより位置決めを行うようにすれば、気体膜の圧力を受けた際に、これらアッパフォイルとバンプフォイルとが互いに反対側に移動しつつ摺動するので、この摺動の際に振動エネルギーを熱エネルギー等に変換して振動を抑制する効果であるダンピング効果を得ることができる。

また、上述した実施形態では、アッパフォイル、アンダファイル及びバンプフォイルの周方向の位置決めを行うための態様として、周方向一端縁部を外方に屈曲させてフィンを形成し、軸受ハウジング（軸受部材）に前記フィンと係合可能な溝を設ける構成を採用しているが、それ以外に、これら各フォイルの少なくともいずれかの軸方向一端縁又は両端縁に突起を設け、この突起を軸受ハウジングの軸方向端部に配したプレートの溝に係り合わせる構成を採用してもよい。

さらに、上述した実施形態では、アッパフォイルのフィンの位置を上流側端縁に設定しているが、フィンの位置を下流側端縁に設定する態様や、アッパフォイルの周方向中間部に設定する態様を採用してもかまわない。

そして、図３及び図４に示すように、バンプフォイル５に、凸部を有しない平板状の板状部材６を重ね合わせるようにしてもよい。この場合、該板状部材６の一端部を外方に屈曲させてフィン６ａを形成し、軸受ハウジング１に前記フィン６ａと係合可能な溝１ｙを設け、前記フィン６ａを溝１ｙに係合させることにより板状部材６の周方向の位置決めを行うようにすれば、板状部材６の周方向の位置決めを容易に行うことができる。但し、板状部材の周方向の位置決めを、他の方法により行ってももちろんよい。

その他、平板状でないバンプフォイルを採用する等、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変形してよい。

１…軸受ハウジング（軸受部材）
２…軸
３…アッパフォイル
４…アンダフォイル
５…バンプフォイル

Claims (10)

1. 軸を取り付ける対象である軸受部材と軸との間に設けられ、軸の回転の際に気体膜を形成すべく前記軸との間に気体膜を形成するアッパフォイルと、このアッパフォイルと前記軸受部材との間に配してなり前記アッパフォイルを前記軸側に弾性付勢する凸部を有するとともに外部から作用を受けない状態で前記軸受部材との間に隙間を形成する複数枚のバンプフォイルとを具備するものであって、
   軸が回転していない状態ではバンプフォイルの凸部以外の部位と軸受部材の内面との間に隙間が形成されており、軸が回転するとバンプフォイルが凸部以外の部位と軸受部材との隙間を小さくすべく弾性変形し、バンプフォイルが軸受部材に圧接した状態となった際にバンプフォイルの凸部が弾性変形することを特徴とする動圧気体軸受。
2. 前記アッパフォイルと前記バンプフォイルとの間に、アンダフォイルを備えている請求項１記載の動圧気体軸受。
3. 前記アッパフォイル及び前記アンダフォイルの一端部を外方に屈曲させてフィンを形成し、前記軸受部材に前記フィンと係合可能な溝を設けている請求項２記載の動圧気体軸受。
4. 前記各バンプフォイルの一端部を外方に屈曲させてフィンを形成しているとともに、前記軸受部材に前記フィンと係合可能な溝を設けている請求項１、２又は３記載の動圧気体軸受。
5. 前記アッパフォイル、前記アンダフォイル及び前記各バンプフォイルの一端部を外方に屈曲させてフィンを形成し、前記アッパフォイル、前記アンダフォイル及び前記バンプフォイルのフィンの位置を軸の回転方向に対して互い違いに設定しているとともに、前記軸受部材に前記フィンと係合可能な溝を設けている請求項２記載の動圧気体軸受。
6. 前記アッパフォイルの一端部を外方に屈曲させてフィンを形成し、前記ハウジングに前記フィンと係合可能な溝を設けている請求項１又は２記載の動圧気体軸受。
7. 前記アッパフォイル及び前記バンプフォイルのフィンの位置を、軸の回転方向に対して同じ側に設定している請求項６記載の動圧気体軸受。
8. 前記アッパフォイルのフィンの位置を上流側端縁に設定している請求項６又は７記載の動圧気体軸受。
9. 前記バンプフォイルの少なくともいずれか１つに、凸部を有しない平板状ないし円弧状の板状部材を重ね合わせている請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の動圧気体軸受。
10. 前記板状部材の一端部を外方に屈曲させてフィンを形成し、前記ハウジングに前記フィンと係合可能な溝を設けている請求項９記載の動圧気体軸受。

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