JP6644855B2 - 空気フォイルジャーナル軸受 - Google Patents

Description

本発明は、空気フォイルジャーナル軸受に係り、より詳しくは、高速回転時に安定性を高めることができる空気フォイルジャーナル軸受に関する。

軸受は、回転軸を一定の位置に固定させるとともに、軸の自重と軸にかかる荷重とを支持しながら軸を回転させる機械要素である。
また、軸受のうち、空気フォイル軸受は、ローター（又は回転軸）の高速回転により、ローター及び軸受ディスクと接するフォイル間に、粘性を有する流体である空気が流入して圧力を形成することにより、荷重を支持する軸受である。

また、空気フォイル軸受のうち、空気フォイルジャーナル軸受は、ローターに垂直な方向であるローターの半径方向の荷重を支持するように構成された軸受である。

図１は、従来の空気フォイルジャーナル軸受及びローターの回転時における空気の圧力分布を示す断面図である。
このとき、一般の空気フォイルジャーナル軸受は、図１に示すように、軸受ハウジング１０の中空部１１の円周内面１２に沿ってバンプフォイル２０が設けられ、バンプフォイル２０の内側にトップフォイル３０が配置されるように構成され、トップフォイル３０の内側にローター４０（又は回転軸）が配置され、トップフォイル３０の内周面とローター４０の外周面とが離隔した状態でローター４０が回転するように構成される。

ここで、バンプフォイル２０及びトップフォイル３０には、円周方向の端部が半径方向の外側に折り曲げられた形状の折曲部が形成され、折曲部２１、３１は、軸受ハウジング１０に形成されたスロット１３に挿入されて結合され、バンプフォイル２０及びトップフォイル３０が円周方向に回転したり押し出されたりしないように軸受ハウジング１０に固定されている。

図２は、図１において、ローターの回転時、軸受ハウジングの位置（角度）によるトップフォイルとローターとの間隔ｈ、及び空気の圧力分布ｐを示したグラフである。
図２に示すように、前記ローター４０が回転すると、トップフォイル３０とローター４０との間に存在する空気により、図示するように圧力が形成され、ローター４０がトップフォイル３０から離隔した状態で回転するようになる。

すなわち、ローター４０が停止しているときには、ローター４０は、自重により、トップフォイル３０にローター４０の下側が支持された状態で配置され、ローター４０が回転すると、ローター４０がトップフォイル３０から浮上している状態で回転する。このとき、ローター４０の回転中心は、軸受ハウジング１０の中心と一致せず、ローター４０の回転中心は、軸受ハウジング１０の回転中心から一方に偏り、偏心した形態でローター４０が回転するようになる。さらに詳しくは、ローター４０の回転中心は、軸受ハウジング１０の中心よりも下方に位置し、ローター４０が反時計方向に回転するとき右側に偏って形成される。

このように、ローター４０の回転中心が軸受ハウジング１０の中心に一致せず、ローター４０が偏心した状態で回転することにより、従来の空気フォイルジャーナル軸受は、空気圧縮機に用いられる場合、ローター４０の一側に結合されて一緒に回転するインペラの回転精度が低下し、空気圧縮機の効率や性能を低下させてしまうという問題点があった。

図３は、非特許文献１に開示された３つのフォイルが適用される軸受ハウジング、フォイル、及びローターの間隔を示す図とグラフである。
このような問題点を解決するために、図３に示すように、軸受を構成するフォイル（トップフォイル又はバンプフォイル）の個数を増やし、空気の内部流動により発生する圧力を上昇させ、３つのパッドのそれぞれの異なる動きを通じて増加した剛性及び減衰効果を期待して、１つのフォイルよりも３つのフォイルを用いる技術である。

すなわち、非特許文献１に開示された技術は、軸受ハウジングに１２０度の等間隔で３つのスロットを形成し、このようなスロットにフォイルを挿入し、機械的プレロード（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｅｌｏａｄ）を与えることにより、ローターの高速安定性を向上させた。また、非特許文献１は、このような技術が、プレロードを有するガスフォイル軸受が無給油ターボチャージャー（ｏｉｌ−ｆｒｅｅ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）の高速安定性を向上させるのみならず、油膜クリアランスを減らした軸受に比べて摩擦損失が小さくなることを示している。

しかしながら、この技術は、３つのパッドの独立的な運動を通じて、剛性及び減衰効果の増大、また接合部の内部流動形状を通じて空気の発生圧力を上昇させることができるが、３つのフォイルを用いなければならないので、軸受の構成品が必要以上に多くなり、また組立公差の検収が難しく、量産化し難い。

また、図１に示す従来において、作業者のミスで、軸受組立時に１つのフォイルのバンプが突出した状態で組み立てると、ローターの駆動安定性が悪くなり、甚だしい場合には反対側のインペラの一側面に食い込んでインペラの磨耗を引き起こすという問題点があった。また、このような不安全な挙動により、軸受の偏摩擦が発生し、耐久性が悪くなる。

また、特許文献１に開示された技術のように、このような１つのフォイルを採用した軸受においては、ストッパーを用いてジャーナル軸受の前・後方向の動きを固定することができ、それによってトップフォイルと軸受ハウジングとの間の空気隙間を塞ぎ、シールの役割を行わせることができるが、バンプフォイルの摩擦により発生する熱が抜け出ないので冷却が不充分であり、さらに、バンプフォイルが軸の振動により変形されるので、ストッパーの内径と軸の外径との交差管理が難しく、量産化し難いという問題があった。

大韓民国登録特許第１０−０７４９８２８号

［Ｊ．Ｓ．Ｌｅｅ． ａｎｄ Ｔ．Ｈ．Ｋｉｍ．， ‘Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ−Ｐａｄ Ｇａｓ Ｆｏｉｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｂｅａｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｅｌｏａｄｓ，’ Ｊ． Ｋｏｒｅａｎ Ｓｏｃ． Ｔｒｉｂｏｌ． Ｌｕｂｒ． Ｅｎｇ． Ｖｏｌ．３０， Ｎｏ．１， Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１４， ｐｐ．１〜８］

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、組立性が向上し、高速回転時に安定性を高めることができる空気フォイルジャーナル軸受を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ローター４００が配置される軸受ハウジング１００の中空部１１０の内側に形成された１対のトップフォイル３００を備え、１対のトップフォイル３００は、相違した長さで構成されることを特徴とする空気フォイルジャーナル軸受を提供する。

また、前記１対のトップフォイルは、第１トップフォイルと、第１トップフォイルよりも長さが短い第２トップフォイルと、からなり、軸受ハウジングには、トップフォイルの端部が挿入される１対のスロットが形成されてもよく。
また、前記１対のスロットは、第１スロットと第２スロットからなり、第１、２トップフォイルの端部には、第１、２スロットにそれぞれ挿入される折曲部が形成されてもよい。

また、前記第１スロットは、軸受ハウジングにおいて、ローターの荷重方向の反対方向に形成され、第２スロットは、軸受ハウジングにおいて、荷重の方向及びローターの回転方向の反対方向に形成されるが、軸受ハウジングの中心から下側方向のラインと、軸受ハウジングの中心から第２スロットのラインにより形成される夾角Ｂは、鋭角で形成されてもよい。

また、前記夾角Ｂは、３０度乃至３５度で形成されてもよい。
また、前記第２スロットの近くにおいて、ローターへの空気の上向圧力が形成される機能を有してもよい。

また、前記第１トップフォイルは、第２スロットに挿入された第２トップフォイルの上側に重なるように結合されてもよい。
また、前記中空部の内側及び前記トップフォイルの外側に形成された１対のバンプフォイルをさらに備えてもよい。

また、前記バンプフォイルは、厚さの薄い板状であり、複数個の弾性バンプが形成されてもよい。
また、前記バンプフォイルは、ロアーバンプフォイルとアッパーバンプフォイルとが重なって構成されてもよい。

本発明によれば、従来の１つのトップフォイルを用いた軸受と異なり、本発明は、１対のトップフォイルを用いているので、トップフォイルを丸く巻いて軸受ハウジングの第１、２スロットに挿入するとき、長さが縮小して、組立性が向上するので、前記トップフォイルの前後方に突出して、インペララビングにより発生していた磨耗現象を解決することができる効果がある。

また、バンプフォイルとトップフォイルとを１対として非対称構造で分離して組み立てることにより、従来のミッドフォイルの役割を代替することができるので、組立構成品の数を減らし、それにより発生する組立公差を予防し、これとともにフォイルの長さが収縮するので、トップフォイルの軸方向への突出問題を抑制することにより、駆動中、安定性問題を解決することができるという効果がある。

さらに、回転するローターの圧力場が生成され始める部位において、ローターへの空気の上向圧力が形成され、高速回転時の安定性を高めることができるという効果がある。

従来の空気フォイルジャーナル軸受及びローターの、回転時における空気の圧力分布を示す断面図である。 図１において、ローターの回転時、軸受ハウジングの位置（角度）によるトップフォイルとローターの間隔ｈ及び空気の圧力分布ｐを示したグラフである。 非特許文献１に開示された３つのフォイルが適用される軸受ハウジング、フォイル、及びローターの間隔を示す図とグラフである。 本発明に係る空気フォイルジャーナル軸受を示す断面図である。 本発明に係る空気フォイルジャーナル軸受に適用されるトップフォイルを示す斜視図であって、（ａ）は、従来、軸受に適用されるトップフォイルを、（ｂ）は、本発明に適用される１対のトップフォイルを示す。 本発明に係る空気フォイルジャーナル軸受と、ローターの回転時にローターに作用する空気の圧力分布と、を示す断面図である。 図６において、第２スロットを含めたＡ部分を拡大した斜視図である。 図７において、ローターの回転時、軸受ハウジングの角度によるトップフォイルを示す斜視図である。

以下、添付された図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳述する。本発明の実施例は、様々な形態に変形され、本発明の範囲が後述する実施例に限定されるものと解釈されてはならない。

本実施例は、当業界において平均的な知識を有する者に、本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状等は、さらに明確な説明を強調するために誇張して表わすことがある。各図面における同一の部材は、同一の参照符合で示したことがあるのに留意しなければならない。また、本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合は、その詳細な説明は省略する。

図４は、本発明に係る空気フォイルジャーナル軸受を示す断面図である。
図４に示すように、本発明に係る空気フォイルジャーナル軸受は、ローターが配置される中空部１１０が形成され、幅方向の両側が開放して形成される軸受ハウジング１００と、軸受ハウジング１００の内側に設けられ、円周方向に沿って形成され、一側が軸受ハウジング１００に結合して固定され、長さが相違した１対で構成されるバンプフォイル２００と、バンプフォイル２００の内側に設けられ、円周方向に沿って形成され、一側が軸受ハウジング１００に結合して固定され、長さが相異した１対で構成されるトップフォイル３００と、を備えてなる。

バンプフォイル２００及びトップフォイル３００は、軸受ハウジング１００の中空部１１０の内側に巻き付けられた形態で配置され、トップフォイル３００が、バンプフォイル２００の内側に配置されてもよい。また、トップフォイル３００の内側には、ローター４００が貫通して挿入配置されてもよい。このとき、ローター４００は、回転軸部分がトップフォイル３００の内側に配置されてもよい。

また、バンプフォイル２００は、軸受ハウジング１００の中空部１１０の内周面に密着して円周方向に沿って配置される。この場合、バンプフォイル２００は、厚さの薄い板状であり、ロアーバンプフォイル２０２とアッパーバンプフォイル２０３とで構成されてもよい。また、バンプフォイル２００は、内側に膨らんで突出した複数個の弾性バンプ２０１が形成されてもよい。トップフォイル３００も同様に、厚さの薄い平板に形成され、弾性バンプ２０１に密着される。

軸受ハウジング１００には、１対のスロット１２０が凹設して形成されてもよい。すなわち、スロット１２０は、中空部１１０に連通され、軸受ハウジング１００の幅方向に切開して形成されてもよい。この場合、バンプフォイル２００には、円周方向の端部が半径方向の外側に折り曲げられた折曲部２１０が形成され、該折曲部２１０がスロット１２０に挿入されるように配置され形成されてもよい。

また、トップフォイル３００にも同様に、円周方向の端部が半径方向の外側に折り曲げられた折曲部３１０が形成され、トップフォイル３００の折曲部３１０がスロット１２０に挿入されるように配置され形成されてもよい。そして、バンプフォイル２００の折曲部２１０とトップフォイル３００の折曲部３１０とが軸受ハウジング１００のスロット１２０に挿入されて結合されることにより、バンプフォイル２００及びトップフォイル３００が軸受ハウジング１００に固定される。

または、バンプフォイル２００及びトップフォイル３００は、軸受ハウジング１００に溶接により結合され固定されてもよく、それ以外にも多様な方式で結合され固定されてもよい。また、折曲部３１０の角度は、トップフォイル３００から９０度以上の鈍角で形成されてもよい。ここで、折曲部３１０は、キーの役割を行い、トップフォイル３００をスロット１２０に固定させる機能を有する。

図５は、本発明に係る空気フォイルジャーナル軸受に適用されるトップフォイルを示す斜視図であって、（ａ）は、従来の軸受に適用されるトップフォイルを、（ｂ）は、本発明に適用される１対のトップフォイルを示す。

図５（ａ）に示すように、従来の軸受に適用されるトップフォイル３００は、１つで構成されるか、又は上記の背景技術に記載されたように、３つに分けられる。しかし、本発明は、図５（ｂ）に示すように、トップフォイル３００が相違した長さを有する１対のフォイルで構成され、より詳しくは、トップフォイル３００は、長さが相対的に長い第１トップフォイル３２０と、長さが相対的に短い第２トップフォイル３３０と、を有する。

この場合、第１トップフォイル３２０と第２トップフォイル３３０とには、一端部が軸受ハウジング１００に形成された１対のスロット１２０にそれぞれ挿入して固定される折曲部３２１、３３１が設けられる。

図６は、本発明に係る空気フォイルジャーナル軸受と、ローターの回転時にローターに作用する空気の圧力分布と、を示す断面図である。
図６に示すように、軸受ハウジング１００の内部でローター４００が時計方向に回転すると、ローター４００に加えられる圧力場５００が形成されるが、このような圧力場５００が形成され始める部分は、荷重が作用する縦方向の、ローター４００の回転方向の反対側に形成される。すなわち、図６において、軸受ハウジング１００の５時方向に形成される。

この場合、本発明の１実施例として、軸受ハウジング１００は、荷重の反対方向である図６の１２時方向に第１スロット１２１が形成され、上述のように圧力場５００が生成され始める地点である図６の５時方向に第２スロット１２２が形成されることができる。
したがって、第１、２スロット１２１、１２２が軸受ハウジング１００の相違した位置に挿入されることにより、第１、２スロット１２１、１２２に挿入されるトップフォイル３００は、相違した長さを有するようになる。

すなわち、従来の１個のトップフォイルを用いた軸受とは異なり、本発明のトップフォイルは、１対のトップフォイル３００を用いているので、トップフォイルを丸めて軸受ハウジング１００の第１、２スロット１２１、１２２に挿入するときに、長さが縮小して組立性が向上するので、従来のトップフォイル３００が前後方向に突出しインペララビングにより発生していた磨耗現象を解消することができる効果がある。

この場合、軸受ハウジング１００の中心から下側方向（荷重の方向）のラインと、軸受ハウジング１００の中心から第２スロット１２２のラインと、により形成される夾角Ｂは、ローター４００の回転速度及び材質により多様に形成されてもよい。この場合、夾角Ｂは、鋭角で形成される。
好ましくは、夾角Ｂは、ローター４００の高速回転速度を勘案して、通常の空気フォイルジャーナル軸受の回転速度である１０，０００ｒｐｍ乃至２００，０００ｒｐｍの範囲において、３０度乃至３５度の範囲に形成される。

図７は、図６において、第２スロットを含めたＡ部分を拡大した斜視図であり、図８は、図７において、ローターの回転時、軸受ハウジングの角度によるトップフォイルを示す斜視図である。なお、図７及び図８は、発明を明確にして理解を助けるためにバンプフォイル２００を省略した。

図７及び図８に示すように、軸受ハウジング１００の５時方向の近くに形成された第２スロット１２２には、第２トップフォイル３３０の折曲部３１０が挿入され、第２スロット１２２の位置において、第２トップフォイル３３０の上側に第１トップフォイル３２０の端部が重なるように結合される。この場合、第１トップフォイル３２０と第２トップフォイル３３０との結合は、溶接等であり、溶接面のような結合面３４０が形成される。
これにより、時計方向に回転するローター４００において、圧力場５００が生成され始める第２スロット１２２の部位における空気の流れが、第１トップフォイル３２０の端部から上向き（図８の矢印方向）となり、ローター４００の高速回転時の安定性を高めるようになる。

前記の第２スロット１２２が軸受ハウジング１００の５時方向に形成されたというのは、上側（荷重の反対方向）を０時方向とするとき、第２スロット１２２が時計方向の５時方向に形成されたことを意味する。また、他の用語を用いて、上側（荷重の反対方向）を０度とするとき、下側（荷重の方向）が１８０度と表わされる。すなわち、１対のスロット１２０は、１６０度と２００度に離隔して軸受ハウジング１００に形成されてもよい。

または、時計方向に回転するローター４００において、圧力場５００が生成され始める部位において、ローター４００への空気の上向圧力が形成されるように、第１トップフォイル３２０の端部を第２トップフォイル３３０に結合する方式ではなく、第１トップフォイル３２０又は第２トップフォイル３３０を折り曲げるなどその形状を変形して、そのローター４００への空気の上向圧力が形成されるような機能を付してもよい。

このように、本発明の、ハウジング構造が改善された空気フォイルジャーナル軸受は、軸受ハウジングの構造を改善することにより、ローターの回転時に軸受ハウジングの中心とローターの回転中心とが一致した状態で回転させることができるので、空気圧縮機に用いられる場合には、ローターの一側に結合されて一緒に回転するインペラの回転精度が向上し、空気圧縮機の効率及び性能が向上するという長所がある。

特に、本発明に係る空気フォイルジャーナル軸受は、燃料電池車両用の空気圧縮機に適合して適用されるが、その理由は、高速回転機器の回転体動力学的安定性の確保が可能であるからである。

また、従来のジャーナル軸受において、１つで構成されるトップフォイルを、本発明では２つに増やし、２つのトップフォイル間の独立した運動により、軸受のダンピングを上昇させ、従来、備えなければならなかったミッドフォイルの役割を代替させるので、別途にミッドフォイルを備えなくてもその性能を充分に発揮することができ、またトップフォイルの折曲部が挿入されるスロットの位置を調節して、ジャーナル軸受の内部的な動圧形成を助け、既存のハーフシムの役割を代替することができるという効果がある。

また、本発明は、トップフォイル３００の半径方向の長さを縮小して、軸方向への動きに対する高速回転体の動力学的安定性を高める方法として、バンプフォイル２００とトップフォイル３００とを１対として非対称構造で分離して組み立てることにより、従来のミッドフォイルの役割を代替させることができるので、組立構成品の数を減らし、それにより発生する組立公差を予防し、これとともにフォイルの長さが縮小されるので、軸方向への突出問題を抑制することにより、駆動中の安定性問題を解決することができるという効果がある。

以上、空気フォイルジャーナル軸受の実施例は例示に過ぎず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、これにより様々な変形及び均等な他の実施例が可能であることが理解されるであろう。このため、本発明は、上記した詳細な説明において言及された形態にのみ限定されるのではないことが理解されるであろう。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は、添付された特許請求の範囲の技術的思想により定められなければならない。また、本発明は、添付された請求の範囲により定義される本発明の精神と、その範囲内にある全ての変形物と均等物及び代替物を含むものと理解されなければならない。

１００ 軸受ハウジング
１１０ 中空部
１２０ スロット
１２１ 第１スロット
１２２ 第２スロット
２００ バンプフォイル
２０１ 弾性バンプ
２０２ ロアーバンプフォイル
２０３ アッパーバンプフォイル
２１０ 折曲部
３００ トップフォイル
３１０ 折曲部
３２０ 第１トップフォイル
３３０ 第２トップフォイル
３４０ 結合面
４００ ローター
５００ 圧力場

Claims (10)

1. ローター（４００）が配置される軸受ハウジング（１００）の中空部（１１０）の内側に巻き付けられた形態で厚さの薄い平板に形成された１対のトップフォイル（３００）を備え、
   前記１対のトップフォイル（３００）は、円周方向に沿った長さが互いに相違して構成されることを特徴とする空気フォイルジャーナル軸受。
   
2. 前記１対のトップフォイル（３００）は、第１トップフォイル（３２０）と、前記第１トップフォイル（３２０）よりも円周方向に沿った長さが短い第２トップフォイル（３３０）と、からなり、
   前記軸受ハウジング（１００）には、前記１対のトップフォイル（３００）の端部がそれぞれ挿入される１対のスロット（１２０）が形成されることを特徴とする請求項１に記載の空気フォイルジャーナル軸受。
   
3. 前記１対のスロット（１２０）は、第１スロット（１２１）と第２スロット（１２２）とからなり、
   前記第１、２トップフォイル（３２０、３３０）の端部には、前記第１、２スロット（１２１、１２２）にそれぞれ挿入される折曲部が形成されることを特徴とする請求項２に記載の空気フォイルジャーナル軸受。
4. 前記第１スロット（１２１）は、前記軸受ハウジング（１００）において、前記ローター（４００）の荷重方向の反対方向に形成され、
   前記第２スロット（１２２）は、前記軸受ハウジング（１００）において、荷重の方向及び前記ローター（４００）の回転方向の反対方向に形成され、
   前記軸受ハウジング（１００）の中心から下側方向のラインと、前記軸受ハウジング（１００）の中心から前記第２スロット（１２２）のラインとにより形成される夾角（Ｂ）は、鋭角で形成されることを特徴とする請求項３に記載の空気フォイルジャーナル軸受。
   
5. 前記夾角（Ｂ）は、３０度乃至３５度で形成されることを特徴とする請求項４に記載の空気フォイルジャーナル軸受。
6. 前記第２スロット（１２２）の近くにおいて、前記ローター（４００）への空気の上向圧力が形成される機能を有することを特徴とする請求項４に記載の空気フォイルジャーナル軸受。
7. 第１トップフォイル（３２０）は、前記第２スロット（１２２）に挿入された第２トップフォイル（３３０）の上側に重なるように結合されることを特徴とする請求項６に記載の空気フォイルジャーナル軸受。
8. 前記中空部（１１０）の内側及び前記トップフォイル（３００）の外側に形成された１対のバンプフォイル（２００）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の空気フォイルジャーナル軸受。
9. 前記バンプフォイル（２００）は、厚さの薄い板状であり、多数個の弾性バンプ（２０１）が形成されることを特徴とする請求項８に記載の空気フォイルジャーナル軸受。
10. 前記バンプフォイル（２００）は、ロアーバンプフォイル（２０２）とアッパーバンプフォイル（２０３）とが重なって構成されることを特徴とする請求項９に記載の空気フォイルジャーナル軸受。

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