JP6444511B2 - フォイル軸受、フォイル軸受のギャップジオメトリを調節する方法、ならびにフォイル軸受の対応する製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォイル軸受、フォイル軸受のギャップジオメトリを調節する方法、ならびにフォイル軸受の対応する製造方法に関する。

背景技術
フォイル軸受は、多くの用途で使用され、特に高回転の用途で、例えば、熱流体機械、ターボチャージャ、圧縮機等で使用される。

フォイル軸受は、特殊なタイプのすべり軸受である。フォイル軸受は、高回転数用に設計された空気力学的軸受である。第一世代のフォイル軸受は、いわゆるトップフォイルと、波状フォイルと、軸受背部とから成っている。この軸受背部において軸の安定性を改良するために、軸受背部と波状フォイルとの間に、全周にわたって、複数の、典型的には、３つの予荷重エレメント（例えば、方形横断面と軸受幅の長さを有する材料ストリップ、いわゆる「シム」）が分配されて挿入されている。このような形式の予荷重エレメントがなかったならば、空気力学的な圧力形成は、軸の周方向における１つの個所でしか、即ち、軸が外的な力によりトップフォイルに当接させられるところでしか行われない。これに対して、予荷重エレメントによっては、例えば周囲の３つの個所で圧力形成が行われる。

図３には、予荷重エレメントを有していない例としてのフォイル軸受３００を説明するための概略図が示されている。

フォイル軸受３００は、軸受背部１０１と、軸１０３と、トップフォイル１０７ｂおよび波状フォイル１０７ａを備えたフォイル配列１０７とを有している。フォイル配列１０７は、軸１０３と軸受背部１０１との間のギャップ３０３内に配置されている。図３では、軸１０３は、１つの横断面の点でのみトップフォイル１０７ｂに当接している。これにより、流体力学的もしくは空気力学的圧力が生じ得る周方向で狭められた１つのギャップ３０３が生じる。フォイル軸受内での圧力分布は曲線３０１で概略的に示されている。

図４には、予荷重エレメント４０１，４０３，４０５を備えた別の例としてのフォイル軸受４００が示されている。

フォイル軸受４００は、軸受背部１０１と、軸１０３と、それぞれトップフォイル４０７ｂおよび波状フォイル４０７ａを備えたフォイル配列４０７，４０７’，４０７’’とを有している。フォイル配列１０７は、軸１０３と軸受背部１０１との間のギャップ４０９内に配置されている。軸の安定性のために、ギャップ内には付加的に予荷重エレメント４０１，４０３，４０５が配置されている。

図４によりわかるように、予荷重エレメント４０１，４０３，４０５により、軸受の全周にわたって複数の個所で、軸１０３とトップフォイル４０７ｂとの間に狭められたギャップが生じている。この各狭められた個所でそれぞれ、空気力学的圧力が形成され、この圧力により軸が支持され、半径方向で位置決めされる。予荷重エレメント４０１，４０３，４０５の位置と高さとは、構造のジオメトリを規定する。しかしながら、フォイル配列４０７，４０７’，４０７’’と予荷重エレメント４０１，４０３，４０５との組み付け後、軸受４００のジオメトリはもはや変更不能であるので、圧力経過の位置と強さとは、運転条件（速度、媒体の粘性、温度）のみに依存する。

米国特許出願公開第２００４００４２６９１号明細書により、軸と軸受背部との間のギャップに配置された、複数のリングセグメント状のフォイルを備えたフォイル軸受が開示されている。軸受背部はこの場合、ピンによって貫通されており、ピンが軸受背部から突出する長さは、軸受背部を取り囲む回転可能なリングにより調節することができる。

米国特許出願公開第２００３０１１８２５７号明細書には、複数の圧電式のアクチュエータを備えたフォイル軸受が示されている。このフォイル軸受は、ハウジングと、回転軸を支持するための複数のフォイルとを有している。圧電式のアクチュエータは、軸受の剛性および減衰係数を調節するように構成されている。

発明の開示
本発明は、請求項１記載のフォイル軸受、請求項９記載のフォイル軸受のギャップジオメトリを調節する方法、ならびに請求項１０記載のフォイル軸受のための対応する製造方法に関する。

好適な別の構成は、それぞれの従属請求項の対象である。

発明の効果
本発明の根底にある思想は、これまでフォイル軸受において使用されているトップフォイルおよび波状フォイルに加えて付加的に底面フォイル（いわゆる「ボトムフォイル」）を挿入することにある。この底面フォイルは、軸受背部と波状フォイルとの間に配置されている。したがって、本発明によるフォイル軸受のフォイル配列は、底面フォイル、支持フォイル、ならびにトップフォイルを備えたフォイル配列を有している。

当該フォイル軸受はさらに、前記フォイル配列の内周を調節することができる調節機構を有している。

この場合、調節機構は、底面フォイルを適宜弾性的に変形させるのに適している。その結果、調節可能なギャップジオメトリが生じる。

したがって、本発明により、フォイル軸受のギャップジオメトリを変化させることがある、フォイル軸受の製造の際に生じる製造誤差を補償することができる。この場合、小さすぎるギャップは、ハウジングにローラが接触し、ひいては流体機械の故障が生じる恐れがあるので、軸受の効率にとって不利である。これに対して大きすぎるギャップは、軸受の支持力を減じる。本発明により提供されるギャップジオメトリの後からの調節により、製造誤差を修正することができ、特に、軸を半径方向で位置決めすることができる。

好適な別の態様では、軸受背部には周方向でかつ／または軸方向で、１つまたは複数の位置で孔が設けられている。これらの孔にはねじが挿入されている。ねじは、ねじ込み深さに応じて、底面フォイルと、波状フォイルと、トップフォイルも軸受中心に向かって押し付ける。調節機構のこのような構成により、特に柔軟で、扱い易い調節機構の構成が提供される。

軸と軸受との間のギャップジオメトリの柔軟な調節可能性により、フォイル軸受の支持特性も柔軟に調節することができる。

さらに別の好適な態様では、調節機構は周方向でかつ／または軸方向で、第１のおよび／または第２のおよび／または第３のねじを有しており、これによりフォイル配列を軸方向でかつ／または半径方向で位置決めすることができる。ねじは、フォイル軸受のギャップジオメトリの柔軟な調節可能性を保証する。しかもねじは、製造コストが安価であり、使用者は市販の工具により簡単に取り扱い可能であるという点でも有利である。

さらに別の好適な態様では、底面フォイル、波状フォイル、トップフォイルはそれぞれ、セグメント状のフォイルとして形成されている。この場合、セグメント状のフォイルとは、ほぼリング状のエレメントの少なくとも一部を形成する湾曲されたフォイルを意味する。トップフォイルは、第１もしくは第２の端部に第１もしくは第２の縁部を有しており、第１の縁部と第２の縁部とは少なくとも３４０°の角度を成しており、即ちトップフォイルは、実質的に環状に形成されているが、２０°までの中断部を有している。角度の記載３４０°はこの場合、トップフォイルを有する円弧に関する。したがって、トップフォイル、および結果としてフォイル配列も単に、ほぼリング状に形成されている。トップフォイルの第１の縁部と第２の縁部との間の角度は、フォイル配列の柔軟な変形可能性を保証する。しかしながら、第１の縁部と第２の縁部との間の角度が小さすぎると、このことは、フォイルとフォイル軸受の安定性および支持力に不都合に作用する。したがって、上記角度は、ギャップジオメトリの調節可能性と、軸受の支持力との間の良好な妥協点を成している。波状フォイルは特に複数の個所で中断されていてもよく、トップフォイルと同じジオメトリを有していなくてもよい。例えば波状フォイルは、周方向で３つのセグメントに分割されるように形成されていてもよい。波状フォイルセグメントの数に応じて、波状フォイルセグメントは互いに、周方向での波状フォイルセグメント間の間隔の和が約１５°までであるように、間隔を置いて配置されていてもよい。例えば、波状フォイルセグメントが３つある場合には、それぞれ２つの波状フォイルセグメント間の間隔は約５°〜１０°である。このようなサイズのオーダにより、波状フォイルセグメントの互いに柔軟かつ独立的な変形可能性が保証される。

さらに別の好適な態様では、調節機構は少なくとも部分的に軸受背部内に配置されている。軸受背部内に配置することにより、使用者にとってのアクセスし易さが保証されるので、使用者は本発明によるフォイル軸受のギャップジオメトリを容易に調節することができる。

さらに別の好適な態様では、調節機構は第１の端部位置および第２の端部位置を有していて、前記第１および第２の端部位置の間で連続的に調節可能である。第１および第２の位置の間での連続的な調節可能性により、支配的な条件に正確に合わせることができる柔軟な調節可能性が保証される。

さらに別の好適な態様では、調節機構が第２の位置にあるとき、第３のフォイルは軸に接触する。したがって、第２の端部位置はストッパとして形成されていて、これにより、軸と軸受背部との間で任意の小さいギャップでも調節可能である。

さらに別の好適な態様では、調節機構は第１の位置でフォイル配列の第１の半径を有する第１の円周を、第２の位置でフォイル配列の第２の半径を有する第２の円周を、強制的に形成し、第２の円周は第１の円周の０．９９９倍である。フォイル配列の強制的に形成され得る円周のこのような帯域幅により、調節可能なギャップジオメトリの最大限可能な帯域幅が得られる。これは例えば、フォイル軸受におけるガス膜の潤滑膜の高さの半分に相当する。約２０μｍの軸受の遊びを備えた１５ｍｍの直径の貫通孔の場合、ガス膜は約５〜１０μｍである。

さらに別の好適な態様では、第２のフォイルは金属製の織物として形成されている。これにより第２のフォイルは特に柔軟に変形可能である。

図面の簡単な説明
本発明のその他の特徴および利点は以下に図面を参照しながら示す実施形態により説明する。

本発明の実施形態によるフォイル軸受の概略的な横断面図である。 図１のフォイル軸受の一部を示す概略的な横断面図である。 一例としてのフォイル軸受を概略的に示す横断面図である。 一例としてのフォイル軸受を概略的に示す横断面図である。

発明の実施の形態
図面において同じ符号は、同じ部材もしくは機能的に同じ部材を示す。

図１には、本発明の実施形態によるフォイル軸受１００の概略的な横断面図が示されている。

この場合、フォイル軸受１００は、軸受背部１０１によって画定される。軸受背部１０１の内側には調節機構１１０が配置されていて、この調節機構１１０は、それぞれ１つの孔１１１ａ〜１１１ｃ内に配置されたねじ１０５ａ〜１０５ｃによって形成されている。軸受背部の内側には貫通孔１０２が形成されていて、この貫通孔１０２内には軸１０３が真ん中に配置されている。軸１０３は、周方向で一定の幅を有する均一なギャップＳによって取り囲まれている。ギャップの内側で、軸受背部１０１の内表面Ｏと軸１０３との間にはフォイル配列１０７が形成されている。フォイル配列１０７は、３つのフォイル、即ち第１のフォイル１０７ａと第２のフォイル１０７ｂと第３のフォイル１０７ｃとを有している。この場合、第１のフォイル１０７ａは底面フォイルとして、第２のフォイル１０７ｂは波状フォイルとして、第３のフォイル１０７ｃはトップフォイルとして形成されている。

この実施形態では、フォイル１０７ａ〜１０７ｃは円筒セグメント状に形成されている。しかしながら、フォイル１０７ａ〜１０７ｃは、本発明の保護範囲を逸脱することなく、別の形状から成っていてもよいことを指摘しておく。フォイル１０７ａ〜１０７ｃはそれぞれ第１の縁部１０９ａと第２の縁部１０９ｂとを有している。縁部１０９ａと１０９ｂとは、縮尺が厳密ではない図面において、３２０°もしくは４０°の角度を形成している。即ち、これらのフォイルは、完全円のうち３２０°の角度ぶんの円のまわりを取り囲んで延在しており、残りの４０°の領域にはフォイルは配置されていない。実際には、通常、約３４５°の角度が生じている。

図１では、調節機構１１０もしくはねじ１０５ａ〜１０５ｃが第１の位置で示されている。この第１の位置では、ねじ１０５ａ〜１０５ｃは、軸受背部の内表面と同一平面を成している。したがって、フォイル１０７ａ〜１０７ｃは、軸受背部１０１の内表面Ｏに接触しており、調節機構１１０によってもしくはねじ１０５ａ〜１０５ｃによって最大限広いギャップＳが調節されている。

図２では、図１によるフォイル軸受１００の一部が概略的に横断面図で示されている。

図２では、調節機構１１０がねじ１０５ａにより形成されている。図２では、ねじ１０５ａは、図１の第１の位置とは異なる別の位置で示されている。この場合、ねじ１０５ａは、軸受背部１０１の孔１１１ａ内により深くねじ込まれており、ねじ１０５ａはもはや、軸受背部１０１の内表面と同一平面を成しておらず、内表面を越えて突出している。したがって、フォイル配列１０７はねじ１０５ａにより軸受背部１０１の内表面Ｏから離れるように押されている。したがって、フォイル配列１０７の円周は強制的により小さくなる。

本発明は好適な実施形態につき説明されたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。特に上記材料とトポロジとは単なる例であり、説明した例に限定されるものではない。

フォイル軸受の設計は上述した実施形態に限定されるものではなく、各用途に任意に適合させることができる。例えば、調節機構のねじの数は、主要な条件に適合させることができる。さらに、フォイル軸受、軸受背部、フォイル配列、および軸の形状は、図示した円筒形に限定されるものではない。

本発明は、全てのフォイル軸受において使用することができ、その構成は波状フォイル（いわゆる「バンプフォイル（bump foil）」）や、カバーフォイル（いわゆる「トップフォイル（top foil）」）を含む。さらに本発明は、いわゆる「メッシュフォイル」軸受でも使用することができる。「メッシュフォイル」軸受では、波状フォイルは金属フリースに代替される。

Claims (11)

1. フォイル軸受（１００）であって、
   貫通孔（１０２）を有する軸受背部（１０１）であって、前記貫通孔には軸（１０３）を、該軸（１０３）と前記軸受背部（１０１）との間にギャップ（Ｓ）が生じるように配置することができる、軸受背部（１０１）と、
   第１の内周（Ｕ）を有するフォイル配列（１０７）であって、
   前記軸受背部（１０１）に隣接して前記ギャップ（Ｓ）内に配置されているセグメント状の第１のフォイル（１０７ａ）と、
   前記第１のフォイル（１０７ａ）に隣接して前記ギャップ（Ｓ）内に配置されているセグメント状の第２のフォイル（１０７ｂ）と、
   前記軸（１０３）と前記第２のフォイル（１０７ｂ）との間で前記ギャップ（Ｓ）内に配置されているセグメント状の第３のフォイル（１０７ｃ）と、
   を有する、フォイル配列（１０７）と、
   前記フォイル配列（１０７）の前記第１の内周（Ｕ）を調節するための調節機構（１１０）と、
   を備え、
   前記調節機構（１１０）は、第１のねじ（１０５ａ）を有し、これにより前記フォイル配列（１０７）が半径方向で位置決め可能である、
   フォイル軸受（１００）。
2. 前記第１のねじ（１０５ａ）は、前記軸受背部（１０１）からセグメント状の前記第１のフォイル（１０７ａ）を押すように構成されている、請求項１記載のフォイル軸受（１００）。
3. 前記調節機構（１１０）は、前記第１および第２のねじ（１０５ａ，１０５ｂ）および／または前記第１および第２および第３のねじ（１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ）を有し、これにより前記フォイル配列（１０７）が半径方向で位置決め可能である、請求項１記載のフォイル軸受（１００）。
4. セグメント状の前記第３のフォイル（１０７ｃ）はそれぞれ、前記第３のフォイル（１０７ｃ）の第１の端部における第１縁部（１０９ａ）と、前記第３のフォイル（１０７ｃ）の第２の端部における第２縁部（１０９ｂ）との間で少なくとも３４０°を成している、請求項１から３までのいずれか１項記載のフォイル軸受（１００）。
5. 前記調節機構（１１０）は、少なくとも部分的に前記軸受背部（１０１）内に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のフォイル軸受（１００）。
6. 前記調節機構（１１０）は、第１および第２の位置を有し、前記第１および第２の位置の間で連続的に調節可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載のフォイル軸受（１００）。
7. 前記調節機構（１１０）が前記第２の位置にあるとき、前記第３のフォイル（１０７ｃ）が前記軸（１０３）に接触する、請求項６記載のフォイル軸受（１００）。
8. 前記第２の位置にある前記調節機構（１１０）は、前記フォイル配列（１０７）の前記第１の内周（Ｕ）とは異なる第２の内周を強制的に形成し、前記第２の内周は、前記調節機構（１１０）が前記第１の位置にあるときの前記第１の内周（Ｕ）の０．９９９倍である、請求項６記載のフォイル軸受（１００）。
9. 前記第２のフォイル（１０７ｂ）は、金属製の織物として形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のフォイル軸受（１００）。
10. 前記第２のフォイル（１０７ｂ）は、金属フリースとして構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のフォイル軸受（１００）。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載のフォイル軸受（１００）を製造する方法であって、
    軸受背部（１０１）を準備するステップと、
    第１および第２および第３のフォイル（１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ）を準備するステップと、
    調節機構（１１０）を準備するステップと、
    前記軸受背部（１０１）の内側に前記調節機構（１１０）を配置するステップと、
    前記軸受背部（１０１）により画定された中空室の内側に前記第１および第２および第３のフォイル（１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ）を配置するステップと、
    を有する、フォイル軸受を製造する方法。
    

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