JPH04105216U - 複合型気体軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静圧軸受と動圧軸受を組合せた複合型気体軸
受において、動圧効果が小さい低速回転時における静圧
負荷能力を向上させる。 【構成】 複数の給気口をもつ静圧型気体軸受及びラン
ド部とスパイラル状の溝をもつ動圧型軸受を組合せた複
合型気体軸受において、軸受中央部に周方向に連続する
中央ランド部４７を設けると共に、軸受の内外端部から
中央ランド部４６へ至るスパイラル状の互いに連通しな
い複数のスパイラル状の溝４３，４６を設け、中央ラン
ド部４７のスパイラル状の溝４３，４６の中間の位置に
給気口（ノズル）１７を設けた。また、スパイラル状の
溝４３，４６の周方向の幅Ｇと、溝４３又は４６間のラ
ンド部４４，４５の周方向の幅Ｒとの比Ｇ／Ｒを１／３
〜１／４として動圧軸受特性を低下させずに静圧負荷特
性を上げるようにした。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、高速回転体（圧縮機、タービン、真空ポンプ、ガスタービン、ヘリ ウム膨張機等）の軸受部等に用いられる静圧型気体軸受と動圧型気体軸受を組合 せた複合型気体軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来の静圧型気体軸受と動圧型気体軸受を組合せた複合型気体軸受の例を図３ ないし図５によって説明する。この複合型軸受は、複合型スラスト軸受と複合型 ラジアル軸受により回転体を回転自由に支持したものである。

【０００３】 回転体１１は、回転スラストディスク１２と一体化されており、回転スラスト ディスク１２を取囲むように設けられたスラスト気体軸受の上板１３と間座１４ とスラスト気体軸受の下板１５、及び回転体１１の周囲に設けられたラジアル気 体軸受１６で支持される。前記スラスト気体軸受の上板１３、スラスト気体軸受 の下板１５及びラジアル気体軸受１６には、複数の静圧型気体軸受用の複数のノ ズル１７，２０，２３がそれぞれ設けられている。また、スラスト気体軸受の上 板１３と下板１５の回転スラストディスク１２側の面には、それぞれ動圧型気体 軸受用のスパイラル状溝４３が設けられ、ラジアル気体軸受１６の回転体１１側 の面には、動圧型気体軸受用のスパイラル状溝３３，３５が設けられている。

【０００４】 この軸受では、静圧給気口２６，２７，２８に圧縮気体を給気することにより 、複数の静圧用ノズル１７，２０，２３から気体が噴出し回転体を浮上させ、こ れを非接触に支持する。また、回転方向Ｎに回転体１１が高速回転することによ り、スラスト気体軸受では、図４に示すように、気体が自己の粘性により平面上 で回転体の回転により、矢印Ｖ方向に引っ張られ、スパイラル状溝４３に沿って 、気体が軸受中央部に圧縮され圧力が発生し、同様に回転体を支持する。一方、 ラジアル気体軸受１６では、回転体１１が回転方向Ｎに高速回転することにより 、図５に示すように、気体が自己の粘性により円筒上で回転体の回転（矢印Ｕ） により、矢印Ｖ方向に引っ張られ、スパイラル状溝３３，３５に沿って、気体が 軸受中央部に圧縮され圧力が発生し、同様に回転体を支持する。

【０００５】 この軸受における各複合型気体軸受のスパイラル状溝と多数ノズルとの位置関 係を図４及び図５に示す。まず、スラスト軸受については、図４に示すように、 各スパイラル状溝４３は軸受外周部から軸受内周部へ至る間で連通しており、ま た、スパイラル状の溝４３の幅Ｇとこのスパイラル状の溝４３の間に形成される 溝のないランド部４４の幅Ｒの比（Ｇ／Ｒ）が、ほぼ１／１となっており、回転 スラストディスク１２との隙間が大きくなる溝部の面積が全面積の半分を占めて おり、また複数の静圧用ノズル１７，２０もスパイラル状溝部内又はその近傍に 配置されており、ノズルから流出した気体は溝を通って容易に外部に漏れる構造 になっている。

【０００６】 また、ラジアル軸受についても、図５に示すように、各スパイラル状溝３３， ３５は軸受両端の外周部と軸受内周部間で連通し、また、スパイラル状の溝３３ ，３５の幅Ｇとこのスパイラル状の溝３３又は３５の間に形成される溝のないラ ンド部３４の幅Ｒの比（Ｇ／Ｒ）が、ほぼ１／１となっており、回転体１１との 隙間が大きくなる溝部の面積が全面積の半分を占めており、複数の静圧用ノズル ２３もスパイラル状溝３３，３５の内に配置されており、ノズルと溝部との距離 （ランド部シール長）が短く、ノズルから流出した気体は溝を通って容易に外部 に漏れる構造になっている。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

前記の従来の複合型気体軸受は、通常の静圧型のみの気体軸受と比較するとス パイラル状溝深さの分だけ、クリアランスが大きくなっているため、動圧効果が 小さい低速回転時には軸受負荷能力や剛性が低下する。特に、スパイラル状溝部 の占める面積が大きく、かつ、静圧用の複数のノズルがスパイラル状溝に近い位 置に、又はスパイラル状溝内にある場合は、著しく特性が低下してしまい、低速 時の回転安定性が低下し振動異常などが生じ易くなる。

【０００８】 本考案は、従来の複合型気体軸受の以上の問題点を解決しようとするものであ る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

１ 本考案は、複数の給気ノズルをもつ静圧型気体軸受及びランド部とスパイラ ル状の溝をもつ動圧型軸受を組合せた複合型気体軸受において、軸受中央部に周 方向に連続する中央ランド部を設けると共に、軸受の内外端部から前記中央ラン ド部へ至るスパイラル状の複数の互いに連通しない溝を設け、かつ、前記中央ラ ンド部のほぼ中央の隣接する前記スパイラル状溝の中間の位置に静圧型気体軸受 の各給気ノズルを配置した。 ２ 前記１の複合型気体軸受において、スパイラル状の溝の周方向の幅Ｇと前記 スパイラル状の溝の間の溝のないランド部の周方向の幅Ｒとの比Ｇ／Ｒを１／３ ないし１／４とした。

【００１０】

【作用】

静圧型気体の場合、複数の給気ノズルから流入した気体が例えば数十μｍの微 小な隙間を通って外部に流出する間の粘性抵抗により圧力の上昇が起り、負荷能 力を発生する。その粘性抵抗は、気体の粘性係数と隙間寸法の２乗と流線長さの 積で決定するので、発生する圧力は、隙間を小さくすることで、著しく大きくな り、また、微小な隙間を形成する部分の有効面積を大きくすることで、負荷能力 も向上する。

【００１１】 前記本考案１では、軸受中央部に設けられた周方向に連続する中央ランド部と 軸受の内外端部から前記中央ランド部へ至るスパイラル状の互いに連通しない溝 を設け、前記中央ランド部のほぼ中央の隣接する前記スパイラル状の溝の中間の 位置に複数の給気ノズルの各々を配置しており、スパイラル状の溝から各給気ノ ズルが離れて配置されているために、ランド部のシール長さ、即ち流線長さが長 くなり、等価的な隙間がより小さくなるために、静圧軸受としての負荷能力が向 上する。

【００１２】 また、本考案２では、前記本考案１において、スパイラル状の溝の周方向の幅 Ｇとスパイラル状の溝の間の溝のないランド部の周方向の幅Ｒとの溝幅比Ｇ／Ｒ を１／３ないし１／４とし、全面積に対する溝の部分の面積比率、即ち隙間の小 さい部分の面積比率を大きくすることによって、静圧軸受としての負荷能力が向 上する。かつ、Ｇ／Ｒを前記のように１／３ないし１／４とすることによって、 動圧軸受としての特性の低下が抑えられる。

【００１３】

【実施例】

本考案の一実施例を、図１及び図２によって説明する。本実施例は、図３ない し図５に示すと同様なそれぞれ静圧型気体軸受と動圧型気体軸受を組合せた複合 型スラスト気体軸受と複合型ラジアル気体軸受とよりなるものであって、以下図 ３ないし図５に示すものと異る部分を中心に説明し、同一の部分には同一の符号 を付してその説明を省略する。なお、図１及び図２は、それぞれ図３におけるＸ ₁ −Ｘ₁ 及びＹ−Ｙ線に沿う断面を示す説明図である。

【００１４】 複合型スラスト気体軸受の上板１３は、図１に示すように、複数ノズル１７、 複数のスパイラル状の溝４３，４６と複数のランド部４４，４５，４７等を備え ている。環状のランド部４７は上板１３の軸受内外端間の半径方向の中央部に上 板３の周方向に連続して設けられている。複数のスパイラル状の溝４３，４６の 各々は、互いに等間隔をおいてそれぞれ軸受の外方端と内方端から前記中央のラ ンド部４７に至るまで延びており、同スパイラル状の溝４３，４６は互いに連通 しないように構成されると共に、隣接するスパイラル状の溝４３間と隣接するス パイラル状の溝４６間にそれぞれランド部４４，４５が形成されている。また、 スパイラル状の溝４３，４６の周方向の幅Ｇとランド部４４，４５の周方向の幅 Ｒとの比、即ち溝幅比Ｇ／Ｒは１／３〜１／４に設定されている。前記中央のラ ンド部４７の半径方向のほぼ中央で、かつ隣接するスパイラル状の溝４３，４６ の間のほぼ中央の位置に、複数の給気用のノズル１７が設けられている。

【００１５】 なお、図示してはいないが、図３に示すスラスト軸受の下板１５も以上と同様 な構成となっている。

【００１６】 複合型ラジアル気体軸受１６は、図２に示すように、複数のノズル２３、複数 のスパイラル状の溝３３，３５及びランド部３４，３６を備えている。環状のラ ンド部３６は、気体軸受１６の内外端の間の中央部に周方向に連続して設けられ ている。複数のスパイラル状の溝３３，３５の各々は、それぞれ気体軸受１６の 内外端から前記中央のランド部３６に至るまで延びており、同スパイラル状の溝 ３３，３５は互いに連通しないように構成されると共に、隣接するスパイラル状 の溝３３の間及び隣接するスパイラル状の溝３５間にそれぞれランド部３４が形 成されている。またスパイラル状の溝３３，３５の周方向の幅Ｇとランド部３４ の周方向の幅Ｒとの比、即ち溝幅比Ｇ／Ｒは１／３〜１／４に設定されている。 前記中央のランド部３６のほぼ中央で、かつ隣接するスパイラル状の溝３３，３ ５の間のほぼ中央の位置に、複数の給気用のノズル２３が設けられている。

【００１７】 以上のように構成された本実施例では、複合型のスラスト気体軸受及びラジア ル気体軸受のいづれにおいても、溝幅比Ｇ／Ｒを１／３〜１／４とすることによ って、隙間の大きくなる溝の部分の占める面積を、Ｇ／Ｒが１である図３ないし 図５に示す従来の軸受のそれの半分以下にしており、隙間が小さいランド部の占 める面積を前記従来の軸受の１．５倍以上に増やしている。従って、軸受におけ る全体としてのクリアランスが小さくなると共にランド部の有効面積が増大し、 静圧軸受としての特性が向上し、動圧効果が小さい低速回転時の軸受負荷能力と 剛性が向上する。

【００１８】 一方、溝幅比Ｇ／Ｒが前記のように１／３〜１／４に設定されていて、溝の部 分の面積が確保されているので動圧軸受としての特性を低下させることもない。

【００１９】 また、前記のように、ノズル１７，２３は、それぞれ中央の周方向に連続する ランド部４６，３６のほぼ中央部で、かつ隣接するスパイラル状の溝４３，４５ ；３３，３５の間のほぼ中央の位置に設けられ、しかもスパイラル状の溝４３， ４５，３３は互いに連通していない。このように、各ノズルは、中央のランド部 の中央で、かつ、各スパイラル状の溝４３，４５；３３，３５の中央の位置に設 けられているので、各ノズル１７からスパイラル状の溝４３，４５及び各ノズル ２３からスパイラル状の溝３３，３５までの距離、即ちランド部シール長さが、 図３ないし図５に示す従来の装置に比して約１．５倍長くなるようになっている 。従って、ノズル１７及び２３から流出する気体は直接スパイラル状の溝４３， ４５及び３３，３５へ流入することはなく、同ノズル１７及び２３からスパイラ ル状の溝４３，４５及び３３，３５まで流れる気体は、中央のランド部４６及び ３４上を通った上で前記スパイラル状の溝に流入することとなり、気体の流線長 が大きくなり、静圧軸受としての負荷特性が向上する。

【００２０】 この種の軸受特性に特に影響する隙間については、溝の部分とランド部の各隙 間と占める面積比により決まる等価隙間で考える。溝部隙間４０μｍ、ランド部 隙間２０μｍが一般的に採用されるが、この数値から、図３ないし図５に示す従 来のものと本実施例の等価隙間を比較すると、下記のようになる。 等価隙間＝溝部隙間×溝部面積比＋ランド部溝部面積比 従来等価隙間＝４０μｍ×１／２＋２０μｍ×１／２＝３０μｍ 本実施例の等価隙間＝４０μｍ×１／４＋２０μｍ×３／４＝２５μｍ等価隙間は、約５／６ と小さくなる。 ノズルに給気した場合の静圧負荷能力（軸受支持可能荷重）は、下記のようにな る。 静圧負荷能力＝比例係数×（ランド部シール長さ）×（ランド部面積） ×（１／等価隙間）の２乗 従来と本考案の静圧負荷能力を比較すると、 静圧負荷能力向上効果＝１．５×１．５×（６／５）の２乗＝３．２倍 となり、本実施例は著しい静圧負荷能力向上の効果が奏せられる。

【００２１】 なお、前記実施例は、複合型のスラスト軸受とラジアル軸受を併用しているが 、本考案はそのいづれかに適用することができることはいう迄もない。

【００２２】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案は、請求項１及び２の構成を具備しているので、 動圧軸受としての特性を低下させることなく静軸受としての静圧負荷能力を向上 させることができ、動圧効果が小さい低速回転時の軸受負荷能力と剛性を向上さ せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例の複合型スラスト気体軸受の
部分の説明図である。

【図２】同実施例の複合型ラジアル気体軸受の部分の説
明図である。

【図３】従来の複合型気体軸受の１例の断面図である。

【図４】図３のＸ₂ −Ｘ₂ 矢視断面図である。

【図５】図３のＹ−Ｙ矢視断面図である。

【符号の説明】

１１ 回転体 １２ 回転スライドディスク １３ スラスト気体軸受の上板 １４ 間座 １５ スラスト気体軸受の下板 １６ ラジアル気体軸受 １７，２３ ノズル ３３，３５ スパイラル状の溝 ３４，３６ ランド部 ４３，４５ スパイラル状の溝 ４４，４６，４７ ランド部

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の給気ノズルをもつ静圧型気体軸受
   及びランド部とスパイラル状の溝をもつ動圧型気体軸受
   を組合わせた複合型気体軸受において、軸受中央部に周
   方向に連続する中央ランド部を設けると共に、軸受の内
   外端部から前記中央ランド部へ至るスパイラル状の互い
   に連通しない複数の溝を設け、かつ、前記中央ランド部
   のほぼ中央の隣接する前記スパイラル状の溝の中間の位
   置に複数の静圧型気体軸受の各給気ノズルを配置したこ
   とを特徴とする複合型気体軸受。
2. 【請求項２】 前記スパイラル状の溝の周方向の幅Ｇと
   前記スパイラル状の溝の間の溝のないランド部の周方向
   の幅Ｒとの比Ｇ／Ｒを１／３ないし１／４としたことを
   特徴とする請求項１に記載の複合型気体軸受。