JP5834503B2 - 回転軸の支持構造 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の支持構造に関する。

ターボ圧縮機等のターボ機械では、その回転軸がラジアル軸受やスラスト軸受によって回転可能に支持されている。ラジアル軸受としては、特に高速回転体用の軸受として、動圧式ガス軸受であるラジアルフォイル軸受がよく知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

ラジアルフォイル軸受は、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を備えて構成されており、回転軸の非回転時から始動時にかけては、トップフォイルが回転軸に密着した状態（回転軸を締め付けている状態）になっているが、回転軸の回転が速まるに連れ、トップフォイルと回転軸との間に周囲流体を巻き込み、流体潤滑膜を形成する。そして、この流体潤滑膜が十分な膜圧を発生すると、トップフォイルが外側へ押し広げられることにより、回転軸はトップフォイルと非接触状態で回転するようになる。

すると、流体潤滑膜は、回転軸とトップフォイルとの間でせん断されることにより、熱を生じる。発熱が多くなると、ラジアルフォイル軸受や回転軸の熱膨張が大きくなることにより、ラジアルフォイル軸受による回転軸に対する締め付け（プリロード）が強くなり、軸受（トップフォイル）が焼き付くおそれがある。

そこで、従来では、例えば圧縮ガスを軸受ハウジングに形成した孔を介して導入し、ラジアルフォイル軸受の軸受面(トップフォイル)の裏面に配置された波板状のバンプフォイルにガスを通すことにより、軸受面に発生する熱を間接的に除去している。すなわち、バンプフォイルの外側（裏側）を冷却することで、軸受面を間接的に冷却している。

特開２００４−９２７７１号公報 特開２００５−３６８６６号公報

しかしながら、バンプフォイルにガスを通す従来の技術では、軸受面を直接冷やすことができないため、冷却不足に陥って軸受（トップフォイル）が焼き付くおそれが依然として回避されない。また、このような焼き付きを防止するため、バンプフォイルに多量の冷却ガス（圧縮ガス）を通すことも考えられるが、その場合にはターボ機械の効率を低下させてしまう懸念がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ラジアルフォイル軸受に対する冷却性能を高めて軸受の焼き付きを確実に防止した、回転軸の支持構造を提供することにある。

本発明の回転軸の支持構造は、インペラを有する回転軸をラジアルフォイル軸受で回転可能に支持する回転軸の支持構造であって、前記回転軸には、その一端側に設けられたインペラ側に開口するとともに、該インペラ側から前記ラジアルフォイル軸受に支持される側に向かって延びる第１の孔と、該第１の孔に連通して該第１の孔から前記回転軸の半径方向外側に向かって延びる第２の孔と、が形成され、前記第２の孔は、前記回転軸の周面の、前記ラジアルフォイル軸受のトップフォイルの内面に対向する位置に開口していることを特徴とする。

この回転軸の支持構造によれば、回転軸に、インペラ側に開口する第１の孔と、ラジアルフォイル軸受のトップフォイルの内面に対向する位置に開口する第２の孔とを形成しているので、インペラ側の圧縮ガスが、冷却ガスとして第１の孔、第２の孔を通ってラジアルフォイル軸受のトップフォイルの内面に直接吹き付けられるようになる。したがって、トップフォイルの内面（軸受面）と回転軸との間に冷却ガスが供給されることにより、トップフォイルの内面が効率良く冷却されるとともに、回転軸も冷却されるようになる。

また、前記回転軸の支持構造において、前記第１の孔は、前記回転軸の周面の、前記インペラの背面側に開口していることが好ましい。
インペラは、回転によってその正面側の流体（ガス）を吸入、昇圧し、背面側から吐出するので、正面側で吸入されて背面側に流動してきた流体は、圧縮（昇圧）された高圧ガスとなる。したがって、この圧縮ガスはインペラの背面側に開口している第１の孔を通って第２の孔の開口から吹き出され、ラジアルフォイル軸受のトップフォイルの内面に直接吹き付けられる。その際、吹き出されたガスは圧縮された高圧ガスとなっているので、ラジアルフォイル軸受の軸受負荷能力の向上に寄与する。

また、前記回転軸の支持構造において、前記第１の孔は、前記回転軸の周面の、前記インペラの背面側に開口する第３の孔と、該第３の孔に連通して該第３の孔から前記回転軸の中心軸に沿って前記ラジアルフォイル軸受に支持される側に向かって延びる一つの第４の孔と、から形成され、前記第２の孔は、前記第１の孔から放射状に複数設けられて、前記回転軸の周面の周方向に等間隔で開口していることが好ましい。
このようにすれば、ラジアルフォイル軸受のトップフォイルの内面に対して、冷却ガスが回転軸の周面の周方向に均等に吹き付けられるようになり、ラジアルフォイル軸受に対する冷却効果が均等になるとともに、軸受による回転軸の支持も安定する。

また、前記回転軸の支持構造において、前記ラジアルフォイル軸受は、前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルとを備え、前記トップフォイルの前記回転軸と対向する面には、前記回転軸の回転方向後方から前方に向かうとともに、該トップフォイルの軸方向の中心部から両方の端縁側にそれぞれ向かう斜方溝が複数形成され、該斜方溝間、および該斜方溝の前記端縁側の端部と該端縁との間には、それぞれランド部が形成されていることが好ましい。
このようにすれば、インペラ側の圧縮ガスが冷却ガスとしてトップフォイルの内面に直接吹き付けられるため、この圧縮ガスがさらに斜方溝の長さ方向に沿って軸受の軸方向中央部から両側端縁に向けて流れるようになる。したがって、冷却ガスが例えば軸方向中央部に流入して該中央部を冷却し、また該中央部の熱くなった潤滑流体が両側端縁に向けて排出されるため、冷却性能が高くなって軸受の焼き付きが確実に防止される。

本発明の回転軸の支持構造によれば、冷却性能を高めて軸受の焼き付きを確実に防止することができる。また、トップフォイルの内面に圧縮ガスを直接吹き付けることにより、ラジアルフォイル軸受の軸受負荷能力を向上することができる。

本発明に係る回転軸の支持構造の第１実施形態を示す図であり、（ａ）は要部側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明に係る回転軸の支持構造の第２実施形態を示す図であり、（ａ）は回転軸に設けられたトップフォイルを示す斜視図、（ｂ）はトップフォイルの内面の展開図である。 図１（ａ）に示したラジアルフォイル軸受の縦断面図と、これに対応する流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフとを示す図である。 本発明に係る回転軸の支持構造の第３実施形態を示す要部側断面図である。 本発明に係る回転軸の支持構造の第４実施形態を示す要部側断面図である。

以下、図面を参照して本発明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（ａ）、（ｂ）は、本発明の回転軸の支持構造の第１実施形態を示す図であり、図１（ａ）、（ｂ）中符号１はターボ圧縮機（ターボ機械）の回転軸、２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、３はラジアルフォイル軸受である。なお、図１（ａ）では省略してラジアルフォイル軸受３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、回転軸１の支持構造が構成される。したがって、本実施形態においてもラジアルフォイル軸受３が二つ設けているものとする。ただし、本発明のラジアルフォイル軸受３は、回転軸１に対して一つのみ設けられて用いられる形態にも、適用可能である。

回転軸１は、図１（ａ）に示すようにベアリングハウジング４内に回転自在に収容されており、インペラ２は、ベアリングハウジング４に対して僅かな間隙を介して配置されたコンプレッサハウジング５内に回転自在に配置されている。
回転軸１には、インペラ２が形成された側にスラストカラー６が固定されており、このスラストカラー６の両側には、このスラストカラー６に対向してそれぞれの側にスラスト軸受７が配置されている。
また、回転軸１には、スラストカラー６より中央側に、ラジアルフォイル軸受３が外挿されている。

このような回転軸１には、本実施形態ではインペラ２の背面側の周面に開口するとともに、該インペラ２側から前記ラジアルフォイル軸受３に支持される側に向かって延びる第１の孔８が形成されている。この第１の孔８は、回転軸１の中心軸から放射状に形成され、かつ、その周面での開口９ａが回転軸１の周面において周方向に等間隔で配置された複数（四つ）の第３の孔９と、これら第３の孔９に一端側が連通して該第３の孔９から回転軸１の中心軸に沿ってラジアルフォイル軸受３に支持される側に向かって延びる一つの第４の孔１０と、から形成されている。なお、第３の孔９は、インペラ２に形成された部位と軸本体１ａに形成された部位とが連通して、一つの第３の孔９を形成している。

また、これら第３の孔９と第４の孔１０とからなる第１の孔８には、その第４の孔１０の他端側に複数の第２の孔１１が連通して接続されている。第２の孔１１は、図１（ｂ）に示すように第４の孔１０（第１の孔８）から放射状に（半径方向に）複数（本実施形態では四つ）設けられて、回転軸１の周面の周方向に等間隔で開口している。すなわち、第２の孔１１の、第４の孔１０と反対の側の開口１１ａは、回転軸１の周面の周方向に等間隔で配置され、前記ラジアルフォイル軸受３の内面の軸方向中央部に対向して設けられている。なお、本実施形態では、前記第３の孔９も、第２の孔１１と同様に放射状に（半径方向に）形成配置されている。

回転軸１は、図１（ａ）に示すように、軸本体１ａにインペラ２を螺合して一体化している。すなわち、インペラ２には雄ねじ部が形成されており、この雄ねじ部が軸本体１ａに形成された雌ねじ部に螺合したことにより、インペラ２は軸本体１ａに固定され、一体化されて回転軸１を構成している。なお、インペラ２の雄ねじ部の、前記第３の孔９を形成した周面には、その全周に亘って溝１２が形成されている。これによって軸本体１ａ側に形成された第３の孔９と雄ねじ部側に形成された第３の孔９とは、互いの孔の中心がずれて固定されても、該溝１２を介して互いに連通するようになっている。

また、各第３の孔９（第１の孔８）の開口９ａは、インペラ２の背面近傍に配置され、したがってベアリングハウジング４とコンプレッサハウジング５との間隙よりやや後方（インペラ２の背面方向）に配置されている。また、ベアリングハウジング４のインペラ２側には、回転軸１との間にラビリンスシール１３が配設されている。このラビリンスシール１３は、第３の孔９の開口９ａよりやや後方、すなわちインペラ２の背面方向に配置されている。これにより、後述するようにインペラ２の背面側に流入する圧縮ガスは、ベアリングハウジング４と回転軸１との間がラビリンスシール１３によって閉塞されているため、ラジアル軸受３側に流れることなく、第３の孔９の開口９ａ内に流入するようになっている。

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を支持する円筒状のもので、回転軸１に対向して配置される円筒状のトップフォイル２０と、該トップフォイル２０の径方向外側に配置されるバックフォイル２１と、該バックフォイル２１の径方向外側に配置される軸受ハウジング２２とを備えて構成されている。

軸受ハウジング２２は、ラジアルフォイル軸受３の外装を構成する円筒状のもので、内部にバックフォイル２１およびトップフォイル２０を内挿している。また、本実施形態では、この軸受ハウジング２２はベアリングハウジング４に保持固定されている。
バックフォイル２１は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル２０を弾性的に支持する。このようなバックフォイル２１としては、例えば、バンプフォイル、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。図１ではバンプフォイルを例に説明する。バックフォイル２１は、図１（ｂ）に示すようにフォイル（薄板）が波板状に成形され、さらにベアリングハウジング１２の内周面に沿って円筒状に形成配置されたものである。ここで、波板状に成形されたバンプフォイル（バックフォイル）２１は、ラジアルフォイル軸受３の周方向に沿って、ベアリングハウジング１２と接する山部と、トップフォイル２０に接する谷部とを交互に形成している。これによってバンプフォイル（バックフォイル）２１は、ラジアルフォイル軸受３の軸方向に山部や谷部による流体の通路を形成している。

トップフォイル２０は、その外面（裏面）にバックフォイル２１が貼設されたもので、フォイル始端２０ａ側が外方に折曲して軸受ハウジング２２に形成された係止溝（図示せず）に係止したことにより、軸受ハウジング２２内を回転することなく、該軸受ハウジング２２内に保持固定されている。また、フォイル終端２０ｂは、フォイル始端２０ａに対して所定の隙間をあけてその近傍に配置されている、なお、バックフォイル２１はトップフォイル２０の外面に貼設されていることにより、該バックフォイル２１もその始端と終端との間に、所定の隙間を有している。また、本実施形態のトップフォイル２０は、一般的なラジアルフォイル軸受のトップフォイルと同様、その内面が平滑面となっている。

図１（ａ）に示すようにベアリングハウジング４には、ラジアルフォイル軸受３の軸方向両側に、それぞれ排気孔１４が形成されている。これら排気孔１４は、ベアリングハウジング４の外方に通じており、後述するようにラジアルフォイル軸受３の内側を通って排出される周囲流体（冷却ガス）を、ベアリングハウジング４の外方に案内するようになっている。

次に、このような構成の、回転軸１およびラジアルフォイル軸受３の動作について説明する。
回転軸１が停止した状態では、ラジアルフォイル軸受３のトップフォイル２０はバックフォイル２１によって回転軸１側に付勢されることで回転軸１に密着している。
そして、回転軸１を始動させると、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、トップフォイル２０のフォイル始端２０ａとフォイル終端２０ｂとの間から周囲流体が引き入れられ、トップフォイル２０と回転軸１との間に流入することでここに流体潤滑膜を形成する。この流体潤滑膜は、回転軸１とトップフォイル２０との間でせん断されることにより、熱を生じる。

そのため、従来では、軸受ハウジングに冷却ガスの通路を形成し、波板状のバンプフォイル（バックフォイル）２１の裏側に周囲流体（冷却ガス）を通すことにより、軸受面に発生する熱を間接的に除去していた。しかし、このような構成では、前述したように軸受面を直接冷やすことができないため、冷却不足に陥って軸受３（トップフォイル２０）が焼き付くおそれを確実に回避することはできなかった。

そこで、本実施形態では、回転軸１に第３の孔９と第４の孔１０とからなる第１の孔８と、第２の孔１１とを形成したことにより、ラジアルフォイル軸受３の内面（軸受面）を直接冷却するようにしている。すなわち、インペラ２は、回転によってその正面側の周囲流体を吸入、昇圧し、背面側から吐出するので、正面側で吸入されて背面側に流動してきた周囲流体は、圧縮（昇圧）された高圧ガスとなる。すると、この圧縮ガス（高圧ガス）は、インペラ２の背面側に配置された第３の孔９（第１の孔８）の開口９ａに流入し、第３の孔９、第４の孔１０を通ってこれに連通する第２の孔１１の開口１１ａから吹き出す。

このようにしてインペラ２側の圧縮ガスが、ラジアルフォイル軸受３のトップフォイル２０の内面（軸受面）に直接吹き付けられ、したがってトップフォイル２０の内面（軸受面）と回転軸１との間に圧縮ガスが供給されてこれが冷却ガスとして機能することにより、トップフォイル２０の内面は効率良く冷却されるとともに、回転軸１も冷却される。なお、トップフォイル２０の内面（軸受面）に吹き付けられた圧縮ガス（冷却ガス）は、トップフォイル２０の内面と回転軸１の周面との間を流れ、軸受３の軸方向両側からそれぞれ流出して排気孔１４から排出される。

このような本実施形態の回転軸の支持構造によれば、インペラ２側の圧縮ガスをラジアルフォイル軸受３のトップフォイル２０の内面（軸受面）に直接吹き付けるようにしたので、ラジアルフォイル軸受３に対する冷却性能を高めてラジアルフォイル軸受３の焼き付きを確実に防止することができる。
また、トップフォイル２０の内面に、圧縮された高圧ガスを直接吹き付けるので、ラジアルフォイル軸受３の軸受負荷能力の向上を図ることができる。

さらに、第２の孔１１を四つ形成するとともに、その開口１１ａを、回転軸１の周面の周方向に等間隔で配置しているので、ラジアルフォイル軸受３のトップフォイル２０の内面に対して、冷却ガスを回転軸１の周面の周方向に均等に吹き付けることができる。したがって、ラジアルフォイル軸受３に対する冷却効果を均等にすることができるとともに、軸受３による回転軸１の支持をより安定させることができる。
また、回転軸１も同時に冷却できるようにしたので、例えば回転軸１の軸本体１ａにモーターのような大きな熱源がある場合、該熱源による回転軸１の過熱や、回転軸１の過熱によるラジアルフォイル軸受３の焼き付きを防止することができる。

次に、本発明の回転軸の支持構造の第２実施形態を説明する。
第２実施形態が先に説明した第１実施形態と異なるところは、ラジアルフォイル軸受３のトップフォイルの構造にある。すなわち、本実施形態におけるラジアルフォイル軸受３は、図１（ｂ）に示したラジアルフォイル軸受３と同様に軸受ハウジング２２の内側にバンプフォイル２１を有し、さらにその内側にトップフォイルを有するものの、図２（ａ）、（ｂ）に示すように本実施形態のトップフォイル３０は、その内面に複数の斜方溝３１や、ランド部３２、３３を形成している。

斜方溝３１は、トップフォイル３０の外観を示す図２（ａ）、およびトップフォイル３０の内面を展開した図２（ｂ）に示すように、回転軸１の回転方向（矢印方向）後方から前方に向かうとともに、トップフォイル３０の軸方向（回転軸１の回転方向と直交する方向）の中心部（本実施形態では軸方向の中心線ＣＬ）から両方の端縁側にそれぞれ向かって形成されている。すなわち、軸方向の中心線ＣＬを対称線として、斜方溝３１は軸方向の一方の側と他方の側とに、線対称で形成配置されている。

これら斜方溝３１は、ラジアルフォイル軸受３の大きさによっても異なるものの、周方向（回転軸１の回転方向）に片側だけで例えば１０〜３０本程度、両側では２０〜６０本程度形成されている。そして、隣り合う斜方溝３１間は、非溝形成部、すなわち溝間ランド部３２となっている。なお、斜方溝３１は、金属製薄板状のトップフォイル２０の内面が、エッチング等によって深さ数十μｍ程度の溝に形成されたものである。一方、溝間ランド部３２は、トップフォイル２０の内面によって構成されたもので、斜方溝３１が形成されたことにより、相対的に形成されたものである。

これら斜方溝３１と溝間ランド部３２とは、特に限定されないものの、その幅の比が例えば２：１〜１：２程度となっている。
また、斜方溝３１は、図２（ｂ）に示すように軸方向に対する角度、すなわち中心線ＣＬと直交するラインに対する傾斜角θが、１０°〜３５°程度に形成されているのが好ましく、１５°〜２０°程度に形成されているのがより好ましく、１７°程度に形成されているのがさらに好ましい。１０°以上にすることで、回転軸１の回転力に付勢された潤滑流体を、斜方溝３１に沿って回転軸１の回転方向に向けて良好に流れさせることができ、ラジアルフォイル軸受３をより広範囲に冷却することが可能になる。一方、３５°以下にすることで、潤滑流体が斜方溝３１に沿って軸方向の端部側に向かって良好に流れるようになり、後述するように熱くなった潤滑流体をラジアルフォイル軸受３の外側に良好に排出することが可能になる。

また、斜方溝３１は、それぞれ、トップフォイル２０の一方の端縁側に向かって形成されているものの、該端縁にまで延びることなく、該端縁の手前で止まって形成されている。これにより、斜方溝３１の端縁側の端部（閉止端）と該端縁との間には、端縁側ランド部３３が形成されている。端縁側ランド部３３も、前記溝間ランド部３２と同様にトップフォイル２０の内面によって構成されたもので、斜方溝３１が形成されたことにより、相対的に形成されたものである。

中心線ＣＬを挟んだ片側の斜方溝３１の、軸方向における長さＬ１は、特に限定されないものの、トップフォイル３０の軸方向の長さＬに対して、例えば（２Ｌ／５）〜（Ｌ／４）程度とされる。したがって、端縁側ランド部３３の、軸方向における幅Ｌ２（＝Ｌ／２−Ｌ１）は、（Ｌ／１０）〜（Ｌ／４）程度とされる。このような範囲で斜方溝３１の長さＬ１や端縁側ランド部３３の幅Ｌ２を形成することにより、斜方溝３１を流れてきた流体は端縁側ランド部３３で一旦せきとめられ、その後これを乗り越えるようになるため、高い膜圧を発生するようになる。

次に、このような構成の支持構造の作用として、特に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３０はバックフォイル２１によって回転軸１側に付勢されることで回転軸１に密着している。ただし、本実施形態では、トップフォイル３０の内面に斜方溝３１が形成されているため、回転軸１が停止している状態でもすでに斜方溝３１内に周囲流体（例えば空気）が存在している。

そして、回転軸１を始動させると、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、トップフォイル３０のフォイル始端３０ａとフォイル終端３０ｂとの間から周囲流体が引き入れられ、トップフォイル３０と回転軸１との間に流入することでここに流体潤滑膜を形成する。なお、トップフォイル３０と回転軸１との間には、最初から斜方溝３１内に周囲流体が存在していたため、回転軸１の回転が低い段階でも、斜方溝３１内の周囲流体と流入してきた周囲流体とが合わさることにより、流体潤滑膜が容易に形成されるようになる。そして、この流体潤滑膜が十分な膜圧を発生すると、トップフォイル３０が外側へ押し広げられ、回転軸１はトップフォイル３０と非接触状態で回転するようになる。
ただし、実施形態１と同様に、流体潤滑膜は回転軸１とトップフォイル３０との間でせん断されることにより、熱を生じる。

しかし、本実施形態でも、回転軸１に第３の孔９と第４の孔１０とからなる第１の孔８と、第２の孔１１とを形成したことにより、インペラ２側の圧縮ガスが第３の孔９（第１の孔８）の開口９ａから流入してラジアルフォイル軸受３のトップフォイル２０の内面（軸受面）に向けて直接吹き出すため、トップフォイル３０の内面を効率良く冷却するとともに、回転軸１も冷却する。

さらに、本実施形態では、前記したように第２の孔１１の開口１１ａが、ラジアルフォイル軸受３の内面の軸方向中央部に対向して設けられているので、該開口１１ａから吹き出された圧縮ガスは、トップフォイル３０の内面の、中央線ＣＬ上に向けて流れる。すると、中央線ＣＬ上に向けて流れた圧縮ガスは、斜方溝３１の長さ方向に沿って中央線ＣＬから両側端縁に向けて流れるようになる。したがって、冷却ガスとして機能する圧縮ガスが軸方向中央部に流入して該中央部を冷却し、また該中央部にて熱くなった潤滑流体を両側端縁に向けて排出するため、高い冷却効果が得られるようになる。

また、軸方向中央部から両側端縁に向けて排出された潤滑流体は、端縁側ランド部３３を乗り越える際に強い流体潤滑膜圧を発生するため、該両側端部において負荷能力が良好に発揮されるようになる。図３は、本実施形態のラジアルフォイル軸受３の、トップフォイル３０と回転軸１との間に形成される流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。図３中横軸は、トップフォイル３０の軸方向の位置を示し、縦軸は流体潤滑膜の圧力（動圧）を示している（上側に行くほど高くなる）。

また、図３中において実線は、本実施形態のラジアルフォイル軸受３による流体潤滑膜の圧力（動圧）を示し、破線は、斜方溝３１を形成しない従来の（一般的な）ラジアルフォイル軸受による流体潤滑膜の圧力（動圧）を示している。従来では、軸受中央部を頂点とした山形になっており、軸受中央部で高い負荷能力を発揮しているのに対し、本実施形態では、前記したように斜方溝３１を流れる潤滑流体が端縁側ランド部３３を乗り越える際に強い流体潤滑膜圧を発生するため、ラジアルフォイル軸受３の両側端部においてそれぞれ負荷能力を良好に発揮するようになる。

なお、フォイル始端３０ａとフォイル終端３０ｂとの間から引き入れられた周囲流体の一部や第２の孔１１から吹き出された圧縮ガスの一部は、斜方溝３１の長さ方向に沿うことなく、回転軸１の回転方向に沿ってトップフォイル３０の周方向に流れる。したがって、斜方溝３１から溝間ランド部３２に流れ、さらにこれを乗り越える際、強い流体潤滑膜圧を発生するようになる。これにより、本実施形態のラジアルフォイル軸受３は、図３に示したようにその両側端部においてそれぞれ高い負荷能力を発揮するものの、中央部においても負荷能力を発揮するようになっている。

このようなトップフォイル３０を有するラジアルフォイル軸受３を備えた回転軸の支持構造にあっては、インペラ側の圧縮ガスが冷却ガスとしてトップフォイル３０の内面に直接吹き付けられるため、この圧縮ガスがさらに斜方溝３１の長さ方向に沿って軸受の軸方向中央部から両側端縁に向けて流れるようになる。したがって、冷却ガスが軸方向中央部に流入して該中央部を冷却し、さらに該中央部の熱くなった潤滑流体を両側端縁に向けて排出するため、冷却性能がより高くなって軸受の焼き付きを確実に防止することができる。

また、ラジアルフォイル軸受３がその両側端部において負荷能力を良好に発揮するようになり、さらに圧縮ガスが軸方向中央部に吹き付けられることで該中央部での負荷能力も高くなっているので、従来に比べてラジアルフォイル軸受３の負荷能力が全体的に高くなり、したがって回転軸１をより良好に支持することができる。

次に、本発明の回転軸の支持構造の第３実施形態を説明する。
図４は、本発明の回転軸の支持構造の、第３実施形態の概略構成を示す模式図である。図４に示す第３実施形態が先に説明した第１実施形態と異なるところは、回転軸１に第１の孔４０を複数形成するとともに、第１の孔４０を構成する第４の孔４１を、回転軸１の中心軸から離れた周面側に配置した点である。

すなわち、本実施形態では、第４の孔４１を、回転軸１の軸本体１ａの周面近傍に、該回転軸１の中心軸と平行に四つ形成している。なお、本実施形態では、第４の孔４１を軸本体１ａの一端側（インペラ２側）から加工しているため、加工後、この一端側の開口を気密に封止するため、該開口部に封止材を充填している。

また、各第４の孔４１には、その一端側（インペラ２側）から回転軸１の軸本体１ａの周面に向けて、回転軸１の半径方向に第３の孔４２が形成されており、これによって該第３の孔４２と第４の孔４１とからなる第１の孔４０が四つ形成されている。第３の孔４２は、その開口４２ａが、第１実施形態と同様にインペラ２の背面近傍に配置されている。また、これら開口４２ａは、回転軸１の周面の周面の周方向に等間隔で配置されている。

また、各第４の孔４１には、その他端側（インペラ２と反対の側）から回転軸１の軸本体１ａの周面に向けて、回転軸１の半径方向に第２の孔４３が形成されている。第２の孔４３は、その開口４３ａが、第１実施形態と同様にラジアルフォイル軸受３のトップフォイル２０の内面の軸方向中央部に対向して設けられている。

このような構成からなる回転軸の支持構造にあっても、第１実施形態と同様に回転軸１に、第３の孔４２と第４の孔４１とからなる第１の孔４０と、第２の孔４３とを形成したので、インペラ２側の圧縮ガスをラジアルフォイル軸受３のトップフォイル２０の内面（軸受面）に直接吹き付けることができ、したがってラジアルフォイル軸受３に対する冷却性能を高めてラジアルフォイル軸受３の焼き付きを確実に防止することができる。
また、トップフォイル２０の内面に、圧縮された高圧ガスを直接吹き付けるので、ラジアルフォイル軸受３の軸受負荷能力の向上を図ることができる。

さらに、第２の孔４３を四つ形成するとともに、その開口４３ａを、回転軸１の周面の周方向に等間隔で配置しているので、ラジアルフォイル軸受３に対する冷却効果を均等にすることができるとともに、軸受３による回転軸１の支持をより安定させることができる。
また、回転軸１も同時に冷却できるようにしたので、例えば回転軸１の軸本体１ａにモーターのような大きな熱源がある場合、該熱源による回転軸１の過熱や、回転軸１の過熱によるラジアルフォイル軸受３の焼き付きを防止することができる。
また、第１の孔４０および第２の孔４３を、回転軸１の軸本体１ａにのみ形成するので、インペラ２側の加工を容易にすることができる。

なお、この第３実施形態では、ラジアルフォイル軸受３のトップフォイル２０として、図１に示した一般的なトトップフォイルを用いるものとしたが、図２（ａ）、（ｂ）に示した第２実施形態のトップフォイル３０を用いるようにしてもよい。このようなトップフォイル３０を用いることにより、軸受面や回転軸１に対する冷却性能をより高くすることができ、軸受３の焼き付きをより確実に防止することができる。

次に、本発明の回転軸の支持構造の第４実施形態を説明する。
図５は、本発明の回転軸の支持構造の、第４実施形態の概略構成を示す模式図である。図５に示す第４実施形態は、例えば二段圧縮機における二段目側の圧縮機や、プロセスガスでタービンを回転させる場合などに適用されるもので、特にコンプレッサハウジング５内が圧縮されて高圧化されている場合の、回転軸の支持構造である。この第４実施形態が先に説明した第１実施形態と異なるところは、回転軸１の正面側端面、すなわちインペラ２の正面側の軸端面に、第１の孔５０の開口５０ａを形成した点である。

すなわち、本実施形態では、第１の孔５０が、インペラ２側となるインペラ２の正面側の軸端面から、回転軸１の中心軸に沿ってラジアルフォイル軸受３が配置された側にまで延びて形成されている。したがって、本実施形態では、第１の孔５０は第３の孔と第４の孔とからなることなく、一直線に延びた一つの孔となっている。ただし、本実施形態の第１の孔５０は、第１実施形態の第３の孔９と同様に、インペラ２に形成された部位と軸本体１ａに形成された部位とが連通して、一つの第１の孔５０を形成している。

このような支持構造にあっては、第１の孔５０の、ガスの取り入れ口となる開口５０ａが、高圧化されたコンプレッサハウジング５内にあるため、この高圧ガスが開口５０ａから流入して第２の孔１１の開口１１ａから吹き出し、ラジアルフォイル軸受３の内面（軸受面）を直接冷却する。したがって、この高圧ガスがトップフォイル２０の内面（軸受面）と回転軸１との間に供給されてこれが冷却ガスとして機能することにより、トップフォイル２０の内面が効率良く冷却されるとともに、回転軸１も冷却される。

よって、本実施形態においても、ラジアルフォイル軸受３に対する冷却性能を高めてラジアルフォイル軸受３の焼き付きを確実に防止することができる。
また、トップフォイル２０の内面に、圧縮された高圧ガスを直接吹き付けるので、ラジアルフォイル軸受３の軸受負荷能力の向上を図ることができる。

なお、この第４実施形態でも、ラジアルフォイル軸受３のトップフォイル２０として、図１に示した一般的なトップフォイルを用いるものとしたが、第３実施形態と同様に、図２（ａ）、（ｂ）に示した第２実施形態のトップフォイル３０を用いるようにしてもよい。このようなトップフォイル３０を用いることにより、軸受面や回転軸１に対する冷却性能をより高くすることができ、軸受３の焼き付きをより確実に防止することができる。

また、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、第２の孔１１、４３を四つ形成したが、第２の孔の数は任意であり、設計上許される数のいずれをも採用することができる。ただし、その開口１１ａ、４３ａについては回転軸１の周面の周方向に等間隔で開口していることが好ましいため、第２の孔の数は複数であるのが望ましい。また、第３の孔９、４２についても、第２の孔１１、４３と同様に、その数を設計上許される任意の数とすることができる。

また、第２の孔１１、４３については、ラジアルフォイル軸受３に対しその軸方向中央部に向けて圧縮ガスを吹き出すように、回転軸１の軸方向に対して１箇所のみ開口するように形成したが、回転軸１の軸方向において複数箇所から吹き出し、したがってラジアルフォイル軸受３に対しその軸方向に複数箇所同時に圧縮ガスを吹き出すように、第２の孔１１、４３を回転軸１の軸方向に複数箇所設けてもよい。ただし、その場合には、ラジアルフォイル軸受３に対してその一方の側端縁側に偏って多くの圧縮ガスが吹き出されないよう、複数の第２の孔１１、４３の、ラジアルフォイル軸受３の軸方向における位置を、一方に偏らないように均等に配置するのが好ましい。

１…回転軸、２…インペラ、３…ラジアルフォイル軸受、４…ベアリングハウジング、５…コンプレッサハウジング、８…第１の孔、９…第３の孔、９ａ…開口、１０…第４の孔、１１…第２の孔、１１ａ…開口、２０…トップフォイル、２１…バックフォイル、２２…軸受ハウジング、３０…トップフォイル、３１…斜方溝、３２…溝間ランド部、３３…端縁側ランド部、４０…第１の孔、４１…第４の孔、４２…第３の孔、４２ａ…開口、４３…第２の孔、４３ａ…開口、５０…第１の孔、５０ａ…開口

Claims (4)

1. インペラを有する回転軸をラジアルフォイル軸受で回転可能に支持する回転軸の支持構造であって、
   前記回転軸には、その一端側に設けられたインペラ側に流体の吸入口として開口するとともに、該インペラ側から前記ラジアルフォイル軸受に支持される側に向かって延びる第１の孔と、該第１の孔に連通して該第１の孔から前記回転軸の半径方向外側に向かって延びる第２の孔と、が形成され、
   前記第２の孔は、前記回転軸の周面の、前記ラジアルフォイル軸受のトップフォイルの内面に対向する位置に前記流体の吐出口として開口していることを特徴とする回転軸の支持構造。
2. 前記第１の孔は、前記回転軸の周面の、前記インペラの背面側に開口していることを特徴とする請求項１記載の回転軸の支持構造。
3. 前記第１の孔は、前記回転軸の周面の、前記インペラの背面側に開口する第３の孔と、該第３の孔に連通して該第３の孔から前記回転軸の中心軸に沿って前記ラジアルフォイル軸受に支持される側に向かって延びる一つの第４の孔と、から形成され、
   前記第２の孔は、前記第１の孔から放射状に複数設けられて、前記回転軸の周面の周方向に等間隔で開口していることを特徴とする請求項１記載の回転軸の支持構造。
4. 前記ラジアルフォイル軸受は、前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルとを備え、
   前記トップフォイルの前記回転軸と対向する面には、前記回転軸の回転方向後方から前方に向かうとともに、該トップフォイルの軸方向の中心部から両方の端縁側にそれぞれ向かう斜方溝が複数形成され、該斜方溝間、および該斜方溝の前記端縁側の端部と該端縁との間には、それぞれランド部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転軸の支持構造。

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