JP6444512B2 - フォイルセグメント軸受、フォイルセグメント軸受のギャップジオメトリを調節する方法、ならびに対応する製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォイルセグメント軸受、フォイルセグメント軸受のギャップジオメトリを調節する方法、ならびに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、支持フォイルと、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、軸受背部と支持フォイルとの間に、全周にわたって、複数の、典型的には、３つのシール嵌合板（いわゆる「シム」）が分配されて挿入されている。このような形式のシール嵌合板がなかったならば、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条件付けられて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。

図４には、シール嵌合板を有していない例としてのフォイル軸受４００を説明するための概略図が示されている。

フォイル軸受４００は、軸受背部１０１と、軸１０３と、トップフォイル１０７ｂおよび支持フォイル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４０３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４０３が生じる。フォイル軸受内での圧力分布は曲線４０１で概略的に示されている。

図５には、シール嵌合板５０１，５０３，５０５を備えた別の例としてのフォイル軸受５００が示されている。

フォイル軸受５００は、軸受背部１０１と、軸１０３と、それぞれトップフォイル５０７ｂおよび支持フォイル５０７ａを備えたフォイル配列５０７，５０７’，５０７’’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５０９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シール嵌合板５０１，５０３，５０５が配置されている。

図５によりわかるように、シール嵌合板５０１，５０３，５０５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５０７ｂ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。シール嵌合板５０１，５０３，５０５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５０７，５０７’，５０７’’とシール嵌合板５０１，５０３，５０５との組み付け後、軸受５００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、複数の円筒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記載のフォイルセグメント軸受、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記載の対応する製造方法に関する。

好適な別の態様は、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、フォイル軸受のギャップジオメトリを、軸受セグメントならびに調節機構により可変に維持する、ということにある。

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、大きすぎるギャップは、軸受の効率にとってよくない。小さすぎるギャップジオメトリでは、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。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。

したがって、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。

本発明の好適な別の態様では、調節機構はばねとピンとを有し、前記ばねは前記ピンによって軸方向で位置決め可能であって、前記ばねは特に動力学的なばね硬さを有している。「動力学的なばね硬さ」の概念には、調節可能もしくは制御可能である可変のばね硬さが含まれている。ばね負荷が与えられる調節機構により、軸受セグメントは後方に向かってもばね的に動くので、軸受セグメントは組み込み状態で、フォイルを損傷させないように、曲がることができる。さらに、軸受セグメントが後方に向かってばね的に動くことにより、軸のセンタリングは殆ど完全に自律的に調節される。動力学的なばね硬さは、システムの剛性を様々な運転条件に合わせることができるので特に好適であることが示されている。

さらに別の好適な態様では、前記軸受セグメントにはそれぞれ１つの調節機構が対応して配置されており、前記調節機構は、少なくとも部分的に軸受背部内に配置されている。軸受セグメントに調節機構が正確に対応して配置されていることにより、軸受セグメントの位置は個々に、場合によっては様々に調節可能である。軸受背部における調節機構のこのような配置により、特に柔軟で、扱いやすい調節機構の構成が提供される。

さらに別の好適な態様では、それぞれ１つの軸受セグメントに１つのピンが接続されている。したがって、１つの軸受セグメントに複数のピンを対応して配置することができるが、１つのピンには１つの軸受セグメントしか対応して配置されない。これにより軸受セグメントは特に簡単であるが、所定の位置で安定的に保持される。

さらに別の好適な態様では、前記軸受セグメントそれぞれ１つの凹部を有し、該凹部は、前記ピンのヘッド部分に対応するように形成されていて、前記ヘッド部分は前記凹部内に配置されている。軸受セグメントの凹部内にピンのヘッド部分が配置されることにより、軸受セグメントを安定的に位置固定することができる。

さらに別の好適な態様では、フォイルセグメント軸受は少なくとも３つの軸受セグメントを有している。これにより軸を、正確に、真ん中に、僅かな組み付けの手間および製造の手間で整列させることができる。

さらに別の好適な態様では、軸受セグメントは周方向で所定の角度により互いに間隔を置いて位置している。２つの隣接する軸受セグメントの縁部の間の角度は、５°〜２０°、特に１０°〜１５°の間で調節可能である。角度のこのような制限記載は、フォイルセグメント軸受の十分な機械的安定性のもとで調節可能なギャップジオメトリの最大の幅を示している。

さらに別の好適な態様では、フォイル配列は、ほぼリング状の第１のフォイルとほぼリング状の第２のフォイルとを有し、これらフォイルは１つの軸受セグメント上に取り付けられている。「リング状」の概念は特に、円形の構成に限定されるものとして理解されるべきではない。「ほぼリング状」の記載は、フォイルが完全な円を描くように延在している必要はなく、完全な円の大部分を描くように延在しているだけでよいと解釈されたい。温度変動によるフォイルの変化を防止するために、第１および第２のフォイル端部は互いに少なくとも０．１ｍｍの間隔を置いて位置している。しかしながら十分な安定性を保証するために、フォイルは、少なくとも３５０°の角度にわたって延在している。ほぼリング状の両フォイルにより、調節可能なギャップジオメトリの十分な柔軟性ならびにフォイルセグメント軸受装置の十分な安定性が保証される。フォイルは軸受セグメントに所定の接合方法により取り付けることができる。接合方法は、接着、ねじ固定、挟み込み等を含む。

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つき説明する。

本発明の実施形態によるフォイルセグメント軸受の概略的な横断面図である。 図１に示した本発明の実施形態による、軸受セグメントを備えた調節機構を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施形態による図１のフォイルセグメント軸受を概略的に示す斜視図である。 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セグメント軸受１００の概略的な横断面図が示されている。図１では、フォイルセグメント軸受１００は、軸受背部１０１と、調節機構１１０と、フォイル配列１０７と、軸受セグメント１０５ａ〜１０５ｃと、を有している。

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はばね１１１によって軸方向で位置決めされたピン１１３として形成されている。ばね１１１は、動的なばね硬さを有していてもよい。調節機構１１０は、大部分が軸受背部１０１の内側に配置されている。ピン１１３を軸受セグメントに接続するためにピン１１３はヘッド部分１１７を有している。調節されたばね硬さに応じて、ピンの位置の剛性は程度の差がある。ピン１１３をその位置に位置決めするために、調節機構はさらにストッパ１１５を有している。軸受セグメント１０５ａ〜１０５ｃは、軸受背部の内側に配置されていて、ピン１１３のヘッド部分１１７に対応する凹部１１９を有している。軸受セグメント１０５ａ〜１０５ｃは、凹部１１９内に装着されたピン１１３のヘッド部分１１７によって、ピンに接続されている。

フォイル配列１０７は、２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とを有している。この場合、第１のフォイル１０７ａは支持フォイルとして、第２のフォイル１０７ｂ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，１０７ｂ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，１０７ｂ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，１０７ｂはそれぞれ第１の端部１０８ａで軸受セグメント１０５ａに取り付けられている。フォイル１０７ａ，１０７ｂの第２の端部１０８ｂは、フォイルの第１の端部１０８ａから約２０°の僅かな角度Ｗぶんの間隔を置いて位置していて、軸受セグメントには取り付けられていない。本発明によるフォイル軸受１００のギャップＳの幅は、調節機構により約１００μｍ〜４００μｍで変化させることができる。

図２には、図１に示した本発明の実施形態による軸受セグメント１０５ａを備えた調節機構１１０の概略的な斜視図が示されている。

図２には、ばね１１１と、ピン１１３と、ストッパ１１５とから形成されていて、軸受セグメント１０５ａに接続されている調節機構１１０が示されている。ピン１１３の軸側の第１の端部で、ピンは軸受セグメント１０５ａに装着されている。ピン１１３は一体のストッパ１１４を有していて、このストッパ１１４はばね力によって負荷を与えることができる。ピン１１３の軸受背部側の端部には別のストッパ１１５が配置されていて、このストッパ１１５はナットとして形成されている。両ストッパ１１４と１１５との間には、コイルばねとして形成されているばね１１１が張設されている。ストッパエレメント１１５の位置に応じて、組み付け状態で軸１０３に向けられる力をばね１１１が加える。ばね力はピン１１３によって軸受セグメント１０５ａに伝達され、これにより軸受セグメント１０５ａは軸方向で位置決めされる。

図３には、図１によるフォイルセグメント軸受の概略的な斜視図が示されている。

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。

フォイルセグメント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、調節機構のばねとピンの数は、主要な条件に適合させることができる。さらに、フォイルセグメント軸受、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、全てのフォイルセグメント軸受において使用することができ、その構成は既にいわゆる「バンプフォイル（bump foil）」や、いわゆる「トップフォイル（top foil）」を含む。

Claims (10)

1. フォイルセグメント軸受（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、
   調節可能な円周を含む軸受面を画定する内表面をそれぞれ有する、第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）であって、前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）は、前記軸受背部（１０１）内で前記軸（１０３）から間隔を置いて配置可能であって、これにより前記軸（１０３）と前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）との間にギャップ（Ｓ）が生じている、第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）と、
   前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）の前記内表面と前記軸（１０３）との間の前記ギャップ（Ｓ）内に配置されたフォイル配列（１０７；１０７ａ，１０７ｂ）と、
   前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）の半径方向の位置決めを介して、前記ギャップ（Ｓ）のジオメトリを調節するように構成されている調節機構（１１０）と、
   を備え、
   前記調節機構（１１０）は、ばね（１１１）及びピン（１１３）を有し、前記ばね（１１１）は、前記ピン（１１３）によって軸方向で位置決め可能であり、
   前記ばね（１１１）は、前記ピン（１１３）と一体に形成されたストッパ（１１４）と、前記軸受背部（１０１）に設けられた、前記ストッパ（１１４）に対向する面と、の間において張設されている、フォイルセグメント軸受（１００）。
2. 前記ばね（１１１）は、動力学的なばね硬さを有している、請求項１記載のフォイルセグメント軸受（１００）。
3. 前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）には、それぞれ１つの調節機構（１１０）が対応して配置されており、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又は２記載のフォイルセグメント軸受（１００）。
4. 前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）のそれぞれにピン（１１３）が接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のフォイルセグメント軸受（１００）。
5. 前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）は、それぞれ１つの凹部（１１９）を有し、該凹部（１１９）は、前記ピン（１１３）のヘッド部分（１１７）に対応するように形成されていて、前記ヘッド部分（１１７）は、前記凹部（１１９）内に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のフォイルセグメント軸受（１００）。
6. 前記フォイルセグメント軸受は、少なくとも３つの軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のフォイルセグメント軸受（１００）。
7. 前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）は、周方向で所定の角度（Ｗ）により互いに間隔を置いて位置していて、互いに隣接する２つの軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）の縁部（１２１ａ，１２１ｂ）の間の前記角度（Ｗ）は、５°〜２０°の間で調節可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載のフォイルセグメント軸受（１００）。
8. 互いに隣接する２つの軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）の縁部（１２１ａ，１２１ｂ）の間の前記角度（Ｗ）は、１０°〜１５°の間で調節可能である、請求項７記載のフォイルセグメント軸受（１００）。
9. 前記フォイル配列（１０７）は、リング状の第１のフォイル（１０７ａ）とリング状の第２のフォイル（１０７ｂ）とを有し、前記第１のフォイル（１０７ａ）および前記第２のフォイル（１０７ｂ）は、それぞれ前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）上に取り付けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のフォイルセグメント軸受（１００）。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載のフォイルセグメント軸受（１００）を製造する方法であって、
    前記軸受背部（１０１）を準備するステップと、
    前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）を準備するステップと、
    前記フォイル配列（１０７）を準備するステップと、
    前記調節機構（１１０）を準備するステップと、
    前記貫通孔（１０２）に前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）を配置するステップと、
    前記軸受背部（１０１）内に前記調節機構（１１０）を配置するステップと、
    前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）を前記調節機構（１１０）によって接続するステップと、
    前記第１および第２の軸受セグメント（１０５ａ，１０５ｂ）の前記内表面と前記軸（１０３）との間の前記ギャップ（Ｓ）内に前記フォイル配列を配置するステップと、
    を有する、フォイルセグメント軸受（１００）を製造する方法。

Images