JPWO2015125825A1 - ラジアルフォイル軸受 - Google Patents

Abstract

このラジアルフォイル軸受（３）は、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（１０）と、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（１１）と、トップフォイル及びバックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジング（１２）と、を備える。軸受ハウジングには、バックフォイルの動きを規制する規制具（３０、４０）が設けられている。軸受ハウジングの内周面の軸方向での中央部に、係止凹部（２１）が形成されている。また、規制具は、係止凸部（３２、４２）を有し、この係止凸部が係止凹部に係止することにより、軸受ハウジングに固定されている。

Description

本発明は、ラジアルフォイル軸受に関する。
本願は、２０１４年２月１８日に日本に出願された特願２０１４−２８３８９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、高速回転体用の軸受として、回転軸を取り囲んで用いられるラジアル軸受が知られている。このようなラジアル軸受としては、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、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備えたラジアルフォイル軸受がよく知られている。ラジアルフォイル軸受のバックフォイルとしては、薄板を波板状に成形したバンプフォイルが主として用いられている。

このようなラジアルフォイル軸受として、特許文献１の特にその図４、または特許文献２の図２に、バックフォイルが軸受ハウジングから脱落するのを防止するため、バックフォイルの軸方向への動きを規制する棒状の係止部材（規制具）を備えた構造が記載されている。
これら特許文献１、特許文献２の構造では、前記係止部材を軸受ハウジングに固定するために、軸受ハウジングの両側面(軸方向の端面)に係合部（係合凹部、係合溝）を形成し、この係合部に係止部材の係合部（係合アーム、係合脚）を係合させている。この係止部材でバックフォイルを保持することにより、バックフォイルの軸方向への動きを規制し、軸受ハウジングからの脱落を防止している。
また、特許文献３〜５には、トップフォイル（アッパーフォイル）とバックフォイル（バックスプリング、アンダーフォイル）とを備えるラジアルフォイル軸受が開示されている。

特開２０１３−１００８８５号公報 特開２０１３−０３２７９９号公報 特開２０１３−２１７４２５号公報 特開２００４−１１８３９号公報 特開２００２−５１５９号公報

軸受ハウジングの両側面に形成する係合凹部や係合溝は、加工上の制約によってその幅を係止部材のように狭くすることが難しく、係止部材の幅（厚さ）に比べて格段に幅広に形成される場合がある。このように係止部材に比べて幅広の係合凹部や係合溝が軸受ハウジングの両側面にあると、これらの上（軸受ハウジングの内周面上）に位置するバックフォイルは前記係合凹部や係合溝上で下からの支えが無くなり、そのためこのバックフォイルの上に載っているトップフォイルも、前記係合凹部や係合溝上で下から十分に支えることが難しい。したがって、ラジアルフォイル軸受の運転時において、トップフォイルには前記係合凹部や係合溝上で局所的な撓みが生じる可能性がある。このような局所的な撓みはトップフォイルを単に凹ませるだけでなく、軸受ハウジングの反対側となる回転軸に向けて出っ張る部分を生じさせる場合もある。

しかし、このように出っ張る部分が生じると、この出っ張り部分が回転軸と擦れ合うことによってトップフォイルが局所的に摩耗を生じ、耐久性が低下する可能性がある。また、トップフォイルに凹みや出っ張りが生じることでトップフォイルに歪みが生じ、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰性能)に影響が及ぶことにより、設計通りの軸受の性能が得られ難くなる場合がある。

このようなトップフォイルの局所的な撓みに起因する耐久性の低下を防止するべく、軸受ハウジングに対してトップフォイルの軸方向の長さを短くし、前記係合凹部や係合溝上にトップフォイルが位置しないようにすることが考えられる。しかし、その場合には、トップフォイルの長さが短くなる分、やはり軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰性能)に影響が及ぶことにより、設計通りの性能が得られ難くなる。

さらに、軸受ハウジングの側面をケーシングなどに密着させた状態で取り付け、この取付箇所にて気密を保つ必要のある場合に、軸受の両側面（両端面）に前記係合凹部や係合溝があるとこの側面でＯリングなどを用いたシール構造を形成し難くなる。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、トップフォイルの局所的な撓みに起因する耐久性の低下や、負荷能力等の性能低下を防止し、さらに側面でのシール構造を容易に形成できる、ラジアルフォイル軸受を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様では、ラジアルフォイル軸受は、回転軸を取り囲んでこの回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、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、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備える。前記軸受ハウジングには、前記軸受ハウジングの少なくとも軸方向への前記バックフォイルの動きを規制する規制具が設けられている。前記軸受ハウジングの内周面の前記軸方向での中央部に、係止凹部が形成されている。また、前記規制具は、係止凸部を有し、この係止凸部が前記軸受ハウジングの前記係止凹部に係止することにより、前記軸受ハウジングに固定されている。

本発明の第２の態様では、前記第１の態様のラジアルフォイル軸受において、前記軸受ハウジングの内周面には、前記係止凹部に連通する保持溝が前記軸方向に沿って形成されている。前記規制具は、棒状部と、この棒状部に設けられた係合凸部と、を有する。前記棒状部は、その長さ方向での中央部に前記係止凸部を有し、前記係止凸部が前記係止凹部に係止した状態で前記保持溝に収容されて固定されている。前記係合凸部は、前記保持溝の上方に突出している。また、前記バックフォイルには、前記係合凸部に係合する係合切欠が形成されている。

本発明の第３の態様では、前記第２の態様のラジアルフォイル軸受において、前記係合凸部は前記棒状部の長さ方向での両端部にそれぞれ設けられ、前記バックフォイルの両端縁部に前記係合切欠がそれぞれ形成されている。

本発明の第４の態様では、前記第２又は第３の態様のラジアルフォイル軸受において、前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って、この軸受ハウジングに接する谷部と、前記トップフォイルに向けて膨出する山部とを交互に配置した波板状に形成されている。また、前記バックフォイルの前記係合切欠は、前記谷部に形成されている。

本発明の第５の態様では、前記第１の態様のラジアルフォイル軸受において、前記軸受ハウジングの内周面には、前記係止凹部に連通する保持溝が前記軸方向に沿って形成されている。前記バックフォイルには係止孔と係合切欠とが形成されている。前記規制具は、棒状部と、この棒状部に設けられて前記バックフォイルの前記係合切欠に係合する係合凸部と、を有する。また、前記棒状部は、その長さ方向での中央部に前記係止凸部を有し、前記軸受ハウジングとの間に前記バックフォイルが位置し且つ前記係止凸部が前記係止孔を通って前記係止凹部に係止している状態で前記保持溝の上方に配置されている。

本発明の第６の態様では、前記第５の態様のラジアルフォイル軸受において、前記係合凸部は前記棒状部の長さ方向での両端部にそれぞれ設けられ、前記バックフォイルの前記軸方向での両端縁部に前記係合切欠がそれぞれ形成されている。

本発明の第７の態様では、前記前記第６の態様のラジアルフォイル軸受において、前記係合凸部は、前記バックフォイルの前記係合切欠に係合するとともに前記保持溝に差し込まれている。

本発明の第８の態様では、前記第６又は第７の態様のラジアルフォイル軸受において、前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って、この軸受ハウジングに接する谷部と、前記トップフォイルに向けて膨出する山部とを交互に配置した波板状に形成されている。前記バックフォイルの前記係合切欠は、前記谷部に形成されている。また、前記棒状部は、前記トップフォイルと前記バックフォイルとの間に配置されている。

本発明の第９の態様では、前記第１から第８のいずれか１つの態様のラジアルフォイル軸受において、前記係止凹部は、前記軸受ハウジングの内周面から外周面にまで貫通する貫通孔によって形成されている。

本発明のラジアルフォイル軸受によれば、軸受ハウジングの内周面の軸方向での中央部に係止凹部を形成し、規制具に設けた係止凸部を前記係止凹部に係止させているので、軸受ハウジングの側面に係止凹部や係止溝を形成することなく、バックフォイルの軸方向への動きを規制し、その脱落を防止することができる。したがって、トップフォイルの局所的な撓みに起因する耐久性の低下や、負荷能力等の性能低下を防止することができる。また、軸受ハウジングの側面でのシール構造を容易に形成することができる。

本発明に係るラジアルフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す模式図である。 本発明に係るラジアルフォイル軸受の第１実施形態の概略構成を示す側面図である。 図２Ａの要部の分解斜視図である。 図２ＡのＡ−Ａ線矢視断面図である。 図２Ａの要部を平坦化して模式的に示す側面図である。 図３ＡのＢ−Ｂ線矢視図である。 本発明に係るラジアルフォイル軸受の第２実施形態の概略構成を示す側面図である。 図４Ａの要部の分解斜視図である。 図４ＡのＣ−Ｃ線矢視断面図である。 図４Ａの要部を平坦化して模式的に示す側面図である。 図５ＡのＤ−Ｄ線矢視図である。

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は、本発明のラジアルフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す側面図であり、図１中符号１は回転軸、符号２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、符号３は本発明に係るラジアルフォイル軸受である。なお、図１では省略してラジアルフォイル軸受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２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２つ設けられている。

回転軸１には、インペラ２が形成された部位の近傍にスラストカラー４が固定されており、このスラストカラー４の両側の各々には、このスラストカラー４に対向してスラスト軸受５が配置されている。
また、インペラ２は静止側となるハウジング６内に配置されており、ハウジング６との間にチップクリアランス７が形成されている。
また、回転軸１には、スラストカラー４より中央寄りの位置に、ラジアルフォイル軸受３が取り囲むように装着されている。

図２Ａ〜２Ｃは、このような構成のターボ機械に適用されるラジアルフォイル軸受の第１実施形態を示している。図２Ａはこのラジアルフォイル軸受の側面図、図２Ｂは図２Ａの要部の分解斜視図、図２Ｃは図２ＡのＡ−Ａ線矢視断面図である。本実施形態のラジアルフォイル軸受３は、図２Ａに示すように回転軸１を取り囲んで回転軸１を支持する円筒状の装置であって、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１０と、このトップフォイル１０の径方向外側に配置されるバックフォイル１１と、このバックフォイル１１の径方向外側に配置される軸受ハウジング１２とを備えて構成されている。

軸受ハウジング１２は、ラジアルフォイル軸受３の最外部を構成する金属製で円筒状の部材であり、内部にバックフォイル１１およびトップフォイル１０を収容している。この軸受ハウジング１２には、その内周面に、この軸受ハウジング１２の軸方向に沿って溝１３が形成されている。
すなわち、軸受ハウジング１２の内周面には、この軸受ハウジング１２の軸方向の全長に渡って溝１３が形成されている。この溝１３は、その深さ方向が、後述するトップフォイル１０の一方の端部１０ａ（周方向での端部）が延び出る方向に一致して形成されている。また、溝１３の深さは、２ｍｍ〜５ｍｍ程度とされる。

また、軸受ハウジング１２の外周面には、前記溝１３に連通する孔１４が一対形成されている。これら孔１４は、後述するように溝１３内に差し入れられたトップフォイル１０の一方の端部１０ａを、溝１３内に固定するのに用いられる雄ネジの挿入用の孔であり、孔１４の内周面には雌ネジ部が形成されている。

また、軸受ハウジング１２の内周面には、図２Ｂに示すように軸方向に沿ってその両端面間、すなわち両側面間に、保持溝２０が形成されている。保持溝２０は、その幅（ハウジングの周方向での幅）が後述する規制具３０の幅（厚さ）に対応して例えば１ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下と充分に狭く形成されている。このような幅の保持溝２０の形成は、例えばワイヤカット放電加工によって良好に形成することができる。また、保持溝２０は、その深さが、軸受ハウジング１２の厚さ（径方向での厚さ）に比べて充分に浅く形成されている。

このような保持溝２０は、図２Ａに示すように本実施形態では、軸受ハウジング１２の内周面をその周方向にほぼ３分割する位置に、それぞれ形成されている。また、前記３箇所の保持溝２０のうちの２箇所の保持溝２０、２０間に、前記溝１３が配置されている。

また、軸受ハウジング１２には、図２Ｂ、２Ｃに示すようにその保持溝２０の長さ方向中央部、すなわち軸受ハウジング１２の軸方向中央部に、保持溝２０に連通して係止凹部２１が形成されている。係止凹部２１は、本実施形態では軸受ハウジング１２の内周面から外周面にまで貫通する貫通孔によって形成されている。この貫通孔からなる係止凹部２１は、開口形状が円形又は長円形であり、軸受ハウジング１２の外周面から内周面に向けてドリル等で孔空け加工（機械加工）することにより、形成されている。

このようにドリル等による孔空け加工で形成されることで係止凹部２１は、保持溝２０の幅方向での内径が前記した保持溝２０の幅に比べて大きくなっている。一方、保持溝２０の長さ方向での係止凹部２１の内径は図２Ｃに示すように後述する係止凸部３２の長さ（軸受ハウジング１２の軸方向での長さ）にほぼ等しくなっており、したがって係止凹部２１に係止凸部３２を係止させることにより、規制具３０の軸方向への動きが規制されている。なお、この係止により、軸受ハウジング１２の周方向への規制具３０の動きも規制されている。

このような係止凹部２１に連通する保持溝２０には、規制具３０が係止している。規制具３０は、図２Ｂ、２Ｃに示すように保持溝２０に収容される薄板状（四角柱状）の棒状部３１と、この棒状部３１の一側面（軸受ハウジング１２に対向する側面）に形成された係止凸部３２と、この棒状部３１の他側面（バックフォイル１１に対向する側面）、すなわち前記一側面と反対の側の側面に形成された一対の係合凸部３３、３３と、を有して形成されている。

棒状部３１は、図２Ｃに示すように前記保持溝２０に係合してこの保持溝２０内に収容され、前記係合凸部３３、３３を除いてこの保持溝２０の外側に突出しないように形成されている。具体的には、保持溝２０の深さが１ｍｍ〜２ｍｍ程度となっており、したがって棒状部３１の高さ（軸受ハウジング１２の径方向での高さ）も１ｍｍ〜２ｍｍ程度となっている。また、このような棒状部３１を含む規制具３０は、例えば厚さが０．５ｍｍ未満のステンレス等からなる金属箔が所定形状、すなわち係止凸部３２や係合凸部３３を有する形状にエッチング加工されることで形成されている。

係止凸部３２は、軸受ハウジング１２の前記係止凹部２１に対応する位置、すなわち軸受ハウジング１２の軸方向中央部（保持溝２０の長さ方向中央部）に形成配置されている。また、係止凸部３２は前述したように保持溝２０の長さ方向に沿う長さが、係止凹部２１の軸方向での内径にほぼ等しく形成されている。したがって、係止凸部３２は係止凹部２１に挿通させられていることにより、保持溝２０の長さ方向にほとんど移動不能に係止している。これにより、規制具３０は軸受ハウジング１２の軸方向への動きが規制されている。

なお、軸受ハウジング１２の軸方向中央部とは、軸受ハウジング１２の軸方向の中心位置のみを意味してはおらず、軸受ハウジング１２の両側面（両端面）とその近傍部を除いた、これらより中央側の部位全体を意味している。したがって、係止凹部２１は、軸受ハウジング１２の軸方向の中心に配置されることなく、中心から一方あるいは他方に偏った位置に、形成配置されていてもよい。その場合、規制具３０の係止凸部３２も、係止凹部２１に対応して棒状部３１の長さ方向の中心から偏った位置に形成配置される。

係合凸部３３、３３は、係止凸部３２と反対の側に突出して棒状部３１の長さ方向での両端部に形成されている。
このような構成の規制具３０は、前述したように係止凸部３２が軸受ハウジング１２の前記係止凹部２１に係止させられた状態で、保持溝２０内に収容されている。その際、係合凸部３３、３３は、保持溝２０の両端部において軸受ハウジング１２の内周面より上方（軸受ハウジング１２の径方向内側）に突出している。

バックフォイル１１は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル１０を弾性的に支持する部材である。このようなバックフォイル１１としては、例えばバンプフォイルや、日本国特開２００６−５７６５２号公報や日本国特開２００４−２７０９０４号公報などに記載されているスプリングフォイル、日本国特開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。本実施形態では、バックフォイル１１としてバンプフォイルを用いている。ただし、前記のスプリングフォイルやバックフォイルを、本発明のバックフォイルとして用いてもよい。

バックフォイル１１（バンプフォイル）は、図２Ａに示すように本実施形態では、トップフォイル１０の周方向に沿って配置された３つ（複数）のバックフォイル片１１ａによって構成されている。これらバックフォイル片１１ａは、フォイル（薄板）が波板状に成形され、かつ、側面が全体として略円弧状になるよう成形された部材であり、３つが全て同じ形状・寸法に形成されている。したがって、これらバックフォイル片１１ａは、軸受ハウジング１２の内周面をほぼ３分割して配置されている。

また、これらバックフォイル片１１ａは、前記溝１３を挟む位置では比較的大きな隙間をあけて配置されており、また、それ以外の位置では、互いの端部が近接して配置されている。このような構成によって３つのバックフォイル片１１ａは、全体として略円筒状に形成されて、軸受ハウジング１２の内周面に沿って配置されている。

また、このように波板状に成形されたバックフォイル片１１ａは、図２Ａの要部を平坦化して模式的に示す図３Ａに示すように、軸受ハウジング１２の周方向に沿って、この軸受ハウジング１２と接する平坦な谷部１１ｂと、トップフォイル１０に向けて膨出してトップフォイル１０に接する湾曲した山部１１ｃとを交互に形成（配置）している。これによってバックフォイル片１１ａは、特にトップフォイル１０に接する山部１１ｃにより、トップフォイル１０を弾性的に支持している。また、ラジアルフォイル軸受３の軸方向に、山部１１ｃや谷部１１ｂによる流体の通路を形成している。

また、これらバックフォイル片１１ａには、図３ＡのＢ−Ｂ線矢視図である図３Ｂに示すように、それぞれの周方向中央（軸受ハウジング１２の周方向に沿う方向の中央）の両側周縁部（軸受ハウジング１２の軸方向での両端の縁部）に、係合切欠１６がそれぞれ形成されている。この係合切欠１６は、図２Ｂに示すようにバックフォイル片１１ａの谷部１１ｂに形成されており、山部１１ｃ、１１ｃ間に形成された平坦部からなる谷部１１ｂが、その側周縁（軸方向での端部）から内側（軸方向での中央）に向かって細長い矩形状に切り欠かれて形成されている。

係合切欠１６は、規制具３０の前記係合凸部３３に対応する位置、すなわち係合凸部３３と重なる位置に形成されており、その縦横の幅が、係合凸部３３に係合するようにこの係合凸部３３の縦横の幅とほぼ同じに形成されている。具体的には、軸受ハウジング１２の周方向に沿う横幅が０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度、軸方向に沿う縦幅が１ｍｍ〜２ｍｍ程度となっている。

なお、係合切欠１６は、バリが発生せず、ストレスを原因とする歪みも生じないように、フォイルに対してエッチング加工や放電加工を行って形成することが好ましい。すなわち、エッチング加工や放電加工でフォイルに係合切欠１６を形成した後、山部１１ｃや谷部１１ｂを形成するためのプレス成型を行い、バックフォイル片１１ａを形成するのが好ましい。
このような構成のもとに、規制具３０の係合凸部３３には、図２Ｃに示すようにバックフォイル片１１ａの係合切欠１６が係合している。

図２Ａに示すようにトップフォイル１０は、３つのバックフォイル片１１ａからなるバックフォイル１１の内面に沿って円筒状に巻かれた部材であり、一方の端部１０ａの先端部が軸受ハウジング１２に形成された前記溝１３に係合するように配設されている。
このトップフォイル１０は、軸受周方向を長辺とし、軸受長方向（軸方向）を短辺とする矩形状の金属箔が長辺の長さ方向（軸受周方向）に円筒状に巻かれて、形成されている。

ただし、このトップフォイル１０は、前記金属箔の両端（周方向での両端）が突き合わされるように巻かれることなく、一方の端部１０ａが他方の端部の径方向外側に重なるように巻かれている。また、一方の端部１０ａは、これ以外の部分で形成される円筒部の所定位置での接線方向に、延び出て形成されている。
また、前記の軸受ハウジング１２における溝１３は、その深さ方向が、トップフォイル１０の一方の端部１０ａの延び出る方向に一致するように形成されている。

したがって、トップフォイル１０は、その一方の端部１０ａの延び出た方向が溝１３の深さ方向に一致するように配置されて、その一方の端部１０ａの先端部がこの溝１３に係合させられている。これにより、トップフォイル１０は、その一方の端部１０ａが溝１３に係合した状態では変形しないため、歪みの発生が防止されている。

また、本実施形態では、溝１３に係合しているトップフォイル１０の一方の端部１０ａは、雄ネジ１７によって溝１３内に固定されている。すなわち、雄ネジ１７が前記孔１４に螺合し挿入されることにより、一方の端部１０ａが溝１３の内壁面に密着させられることで固定されている。なお、このように溝１３の内壁面に密着させられることによる一方の端部１０ａの変形は僅かであり、したがって、この変形によってトップフォイル１０に歪みが生じることはほとんどない。

また、トップフォイル１０には、一方の端部１０ａと、これと反対の他方の端部とに、これらの間の中央部に比べて薄厚な薄肉部１８が形成されている。これら薄肉部１８は、その外周面（バックフォイル１１に対向する面）が前記中央部の外周面より凹んだ状態となるよう、薄厚化（薄肉化）されて形成されている。

薄肉部１８を形成するには、例えばエッチング加工によってトップフォイル１０の両端部を、十μmオーダーでコントロールして所望の厚さ（薄さ）に形成する。具体的には、軸受径φ３５ｍｍとした場合、トップフォイル１０の厚さを１００μｍとすると、薄肉部１８の厚さは８０μｍ程度となるようにする。なお、このようなエッチング加工では、曲げ加工などに比べてトップフォイル１０に生じる応力が極めて小さく、したがってトップフォイル１０に歪みが生じることもほとんどない。
また、薄肉部１８の周方向の長さは、例えば、溝１３と、この溝１３の両側に位置する、バックフォイル１１の端部の山一つ分までに対応する長さとされる。

このようにトップフォイル１０の両端部に薄肉部１８を形成したことにより、これら両端部（薄肉部１８）は弾性変形し易くなり、したがってこれら両端部は軸受ハウジング１２の内周面を構成する曲面に倣って曲面となる。これにより、トップフォイル１０は、その両端部においても回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど発生しない。

すなわち、トップフォイルの一端部(止端部)をスポット溶接で軸受ハウジングに固定した場合、その両端付近(止端付近と自由端付近)が軸受ハウジングの内周面を構成する曲面になじみ難く、平面に近い状態になる。すると、平面に近い当該部位では回転軸を締め付ける力（局所的なプリロード）が発生し、その結果、始動トルクが高くなったり、運転中の発熱が設定以上に高くなったりする場合がある。これに対し、本実施形態のトップフォイル１０では、その両端部に薄肉部１８を形成したことにより、前記したように回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど発生しない。

また、トップフォイル１０の両端部の外周面を、前記中央部の外周面より凹んだ状態となるように薄厚化して薄肉部１８を形成しているので、その外周面側を支持するバックフォイル１１との間において、その端部の山一つ分との間に隙間が形成される。これにより、この薄肉部１８においては、回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）が生じるのが確実に防止される。

次に、このような構成からなる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１０はバックフォイル１１（３つのバックフォイル片１１ａ）によって回転軸１に向けて付勢されることで回転軸１に密着している。
なお、本実施形態では、トップフォイル１０の両端部が薄肉部１８となっているので、これら薄肉部１８では回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど生じない。

回転軸１を図２Ａ中の矢印Ｐ方向に始動させると、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、図２Ａ中矢印Ｑで示すように、トップフォイル１０の一方の端部１０ａとバックフォイル片１１ａの一端との間から周囲流体が引き入れられ、トップフォイル１０と回転軸１との間に流入する。これにより、トップフォイル１０と回転軸１との間に流体潤滑膜が形成される。

この流体潤滑膜の膜圧は、トップフォイル１０に作用し、トップフォイル１０に接するバックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃを押圧する。すると、バックフォイル片１１ａはトップフォイル１０に押圧されることにより、その山部１１ｃが押し広げられ、これによってバックフォイル片１１ａは軸受ハウジング１２の内周面上をその周方向に動こうとする。
すなわち、バックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）は、トップフォイル１０を弾性的に支持するため、トップフォイル１０から荷重を受けた際にはその周方向に変形することで、トップフォイル１０の撓みを許容し、これを支持する。

しかし、図２Ｃに示すようにバックフォイル片１１ａには、その側周縁部に形成された係合切欠１６に規制具３０の係合凸部３３が係合しており、また、この規制具３０は、棒状部３１が保持溝２０内に収容され、係止凹部２１に係止凸部３２が係止したことで軸受ハウジング１２の軸方向及び周方向の動きが規制されている。これによってバックフォイル片１１ａは、軸受ハウジング１２の内周面上で周方向に回ることが防止されている。したがって、バックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃは、係合凸部３３が係合している係合切欠１６を固定点（固定端）として周方向に変形する（動く）が、バックフォイル片１１ａ自体はその中心が定位置からずれることが防止される。

また、バックフォイル片１１ａは周方向に変形する（動く）際、軸受ハウジング１２やトップフォイル１０との間の摩擦の影響を受けるため、その両端部、すなわち自由端付近は変形し易い（動き易い）が、前記固定点（固定端）付近は変形し難くなっている。
そのため、自由端寄りの位置と固定端寄りの位置とでは、バックフォイル片１１ａによる支持剛性に差が生じる場合がある。

しかし、本実施形態では、係合切欠１６をバックフォイル片１１ａの周方向中央部に形成し、したがって係合凸部３３による固定点をバックフォイル片１１ａの周方向中央部としているので、固定端と自由端との間の距離が短くなっている。よって、前記の支持剛性の差が小さくなっている。さらに、本実施形態では、バックフォイル１１を３つのバックフォイル片１１ａに分割しているため、バックフォイル１１を単一のフォイルで形成した場合に比べ、固定端と自由端との間の距離が短くなっており、したがって自由端寄りの位置と固定端寄りの位置との間の支持剛性の差がより小さくなっている。

また、回転軸１が高速で回転している際、規制具３０の係合凸部３３がバックフォイル片１１ａの軸方向への動きも規制しているため、不測に衝撃等が軸受に作用した場合でも、バックフォイル片１１ａが軸受ハウジング１２から脱落することが防止される。
また、流体潤滑膜が形成されるまでの過渡状態においては、回転軸１とトップフォイル１０との間に固体摩擦が生じ、これが始動時の抵抗になる。しかし、前記したようにトップフォイル１０の両端部でプリロードが生じなくなっていることや、周囲流体が流入する側のトップフォイル１０が薄肉部１８となっていて柔らかくなっており、トップフォイル１０が回転軸１から離間し易くなっている。このため、回転軸１が始動すると短時間で流体潤滑膜が形成され、回転軸１はトップフォイル１０に対して非接触状態で回転する。

このようなラジアルフォイル軸受３にあっては、軸受ハウジング１２の内周面の軸方向中央部に係止凹部２１を形成し、規制具３０の長さ方向中央部に設けた係止凸部３２を係止凹部２１に係止させている。このため、軸受ハウジング１２の側面に従来のような係止凹部や係止溝を形成することなく、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）の軸方向への動きを規制し、その脱落を防止することができる。したがって、トップフォイル１０の局所的な撓みに起因する耐久性の低下や、負荷能力等の性能低下を防止することができる。また、軸受ハウジング１２の側面に従来のような係止凹部や係止溝が形成されていないので、軸受ハウジング１２の側面でのシール構造を容易に形成できる。

また、係止凹部２１を軸受ハウジング１２の内周面から外周面にまで貫通する貫通孔によって形成している。よって、この係止凹部２１が軸受ハウジング１２の中央部に冷却風を送る通気孔としても機能でき、したがって軸受ハウジング１２の両端部に比べて通気性が悪く熱がこもり易い中央部を効果的に冷却し、軸受の過熱を防止することができる。

また、規制具３０の棒状部３１に形成した係合凸部３３を、バックフォイル片１１ａに形成した係合切欠１６に係合させているので、規制具３０によってバックフォイル片１１ａの軸方向への動きを確実に規制することができる。
さらに、係合凸部３３を棒状部３１の両端部にそれぞれ形成し、バックフォイル片１１ａの両側周縁部に係合切欠１６を形成しているので、規制具３０の係合凸部３３によってバックフォイル片１１ａの両側（軸方向での両側）を挟持することができ、したがって規制具３０によりバックフォイル片１１ａを挟持することでその軸方向への動きをより確実に規制することができる。

また、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）として谷部１１ｂと山部１１ｃとを交互に形成したバンプフォイル（バンプフォイル片）を用いている。バックフォイル１１はその山部１１ｃでトップフォイル１０に接するので、谷部１１ｂに形成された係合切欠１６に係合する規制具３０の係合凸部３３がトップフォイル１０に干渉しないように、規制具３０を配置することができる。
係合凸部３３と係合切欠１６との安定した係合を維持するために、係合凸部の棒状部３１からの突出高さを、バックフォイル片１１ａのフォイル厚よりも大きくしてもよい。この場合、係合凸部３３のトップフォイル１０への接触を防止するためには、係合凸部の棒状部３１からの突出高さを、負荷が加えられ変形した山部１１ｃの高さ以下に設定すればよい。

次に、図１に示したターボ機械に適用されるラジアルフォイル軸受の第２実施形態を、図４Ａ〜４Ｃ、５Ａ、５Ｂを参照して説明する。なお、図４Ａはラジアルフォイル軸受の側面図、図４Ｂは図４Ａの要部の分解斜視図、図４Ｃは図４ＡのＣ−Ｃ線矢視断面図である。また、図５Ａは図４Ａの要部を平坦化して模式的に示す側面図、図５Ｂは図５ＡのＤ−Ｄ線矢視図である。

本実施形態のラジアルフォイル軸受３が、図２Ａ〜３Ｃ、３Ａ、３Ｂに示した第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と異なるところは、規制具の構造とその配置、およびバックフォイルの構造である。
すなわち、本実施形態のラジアルフォイル軸受３では、図４Ａ〜４Ｃに示すように規制具４０の棒状部４１が、バックフォイル１１とトップフォイル１０との間に配置されている。また、図５Ｂに示すように、バックフォイル１１には、係合切欠１６を形成した谷部１１ｂの長さ方向の中間部に、係止孔１１ｄが形成されている。

軸受ハウジング１２は、第１実施形態と同一形状に形成されており、その内周面に溝１３を形成するとともに、３本の保持溝２０を形成している。また、軸受ハウジング１２には、図４Ｂ、４Ｃに示すように３本の保持溝２０にそれぞれ連通して、この保持溝２０の長さ方向の中央部に、貫通孔からなる係止凹部２１が形成されている。これら保持溝２０や係止凹部２１、前記溝１３は、第１実施形態と同様に形成されている。なお、本実施形態においても、軸受ハウジング１２の軸方向や保持溝２０の長さ方向における「中央部」は、第１実施形態と同様の意味で用いており、軸方向や長さ方向の中心位置のみを意味してはおらず、軸受ハウジング１２の両側面（両端面）とその近傍部を除いた、これらより中央側の部位全体を意味している。

規制具４０は、図４Ｂ、４Ｃに示すように薄板状（四角柱状）の棒状部４１と、この棒状部４１の一側面（バックフォイル１１に対向する側面）に形成された係止凸部４２および一対の係合凸部４３、４３と、を有して形成されている。規制具４０は前述したようにバックフォイル１１とトップフォイル１０との間に配置されている。したがって、規制具４０は、その棒状部４１が軸受ハウジング１２に形成された保持溝２０に収容されることなく、バンプフォイル（バックフォイル１１）の谷部１１ｂ上に配置されている。すなわち、径方向における棒状部４１と軸受ハウジング１２との間に、バックフォイル１１の谷部１１ｂが配置されている。

したがって、係止凸部４２は、第１実施形態の規制具３０における係止凸部３２に比べ、棒状部４１の外側（径方向外側）に長く延びて形成されている。また、係合凸部４３は、第１実施形態の係合凸部３３と同様に棒状部４１の長さ方向での両端部に形成されているが、第１実施形態とは異なり、係止凸部４２が位置する側と同じ側に延びて形成されている。これら係合凸部４３は、本実施形態ではバックフォイル１１の厚さよりも長く延びて形成されるとともに、係止凸部４２よりも短く延びて形成されている。

バックフォイル１１は、図５Ａ、５Ｂに示すように、第１実施形態と同様に谷部１１ｂと山部１１ｃとを有する３つのバックフォイル片１１ａによって構成されている。
これらバックフォイル片１１ａには、図５Ｂに示すように、それぞれの周方向中央（軸受ハウジング１２の周方向に沿う方向の中央）の両側周縁部（軸受ハウジング１２の軸方向での両端の縁部）に、係合切欠１６がそれぞれ形成されている。係合切欠１６は、バックフォイル片１１ａの谷部１１ｂに形成されており、山部１１ｃ、１１ｃ間に形成された平坦部からなる谷部１１ｂが、その側周縁（軸方向での端部）から内側（軸方向での中央）に向かって細長い矩形状に切り欠かれて形成されている。

また、本実施形態では、図４Ｂ、５Ｂに示すようにバックフォイル片１１ａの係合切欠１６を形成した谷部１１ｂの長さ方向（軸方向）中間部に、係止孔１１ｄが形成されている。係止孔１１ｄは、バックフォイル片１１ａの、軸受ハウジング１２に形成された前記係止凹部２１に対応する位置に形成された開口である。すなわち、バックフォイル片１１ａが軸受ハウジング１２内の所定位置に配置された際、係止孔１１ｄは係止凹部２１に連通するようにバックフォイル片１１ａに形成配置されている。

なお、トップフォイル１０の構成やこれを軸受ハウジング１２に取り付ける構成は第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
以上のような構成において規制具４０は、図４Ｂ、４Ｃに示すように棒状部４１がトップフォイル１０とバックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）との間の、予め決められたバックフォイル片１１ａの谷部１１ｂ上に配置されている。

係止凸部４２がバックフォイル片１１ａの係止孔１１ｄを通って係止凹部２１に挿入され、この係止凹部２１に係止させられている。また、係合凸部４３、４３がバックフォイル片１１ａの係合切欠１６に係合させられ、その状態で係合凸部４３の先端が保持溝２０に差し込まれている。

このような構成からなるラジアルフォイル軸受３にあっても、第１実施形態と同様に作用することができる。
すなわち、回転軸１が高速で回転している際、係合凸部４３がバックフォイル片１１ａの軸方向への動きも規制しているため、不測に衝撃等が軸受に作用した場合でも、バックフォイル片１１ａが軸受ハウジング１２から脱落することが防止される。

本実施形態のラジアルフォイル軸受３にあっても、軸受ハウジング１２の内周面の軸方向中央部に係止凹部２１を形成し、規制具４０の長さ方向中央部に設けた係止凸部４２を係止凹部２１に係止させている。このため、軸受ハウジング１２の側面に従来のような係止凹部や係止溝を形成することなく、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）の軸方向への動きを規制し、その脱落を防止することができる。したがって、トップフォイル１０の局所的な撓みに起因する耐久性の低下や、負荷能力等の性能低下を防止することができる。また、軸受ハウジング１２の側面でのシール構造を容易に形成できる。

また、係止凹部２１を軸受ハウジング１２の内周面から外周面にまで貫通する貫通孔によって形成しているので、この係止凹部２１が軸受ハウジング１２の中央部に冷却風を送る通気孔としても機能する。したがって、軸受ハウジング１２の両端部に比べて通気性が悪く熱がこもり易い中央部を効果的に冷却し、軸受の過熱を防止することができる。

また、規制具４０の棒状部４１に形成した係止凸部４２をバックフォイル片１１ａの係止孔１１ｄに通して軸受ハウジング１２の係止凹部２１に係止させるとともに、係合凸部４３をバックフォイル片１１ａに形成した係合切欠１６に係合させている。このため、規制具４０によってバックフォイル片１１ａの軸方向への動きを確実に規制することができる。
さらに、係合凸部４３は棒状部４１の両端部にそれぞれ形成され、バックフォイル片１１ａの両側周縁部に係合切欠１６を形成しているので、規制具３０の係合凸部４３によってバックフォイル片１１ａの両側を挟持することができる。したがって、規制具４０によりバックフォイル片１１ａを挟持することでその軸方向への動きをより確実に規制することができる。

また、係合凸部４３を、バックフォイル片１１ａの係合切欠１６に係合させるとともに保持溝２０に差し込んでいるので、係合凸部４３がバックフォイル片１１ａの係合切欠１６に充分に且つ安定して係合でき、したがって規制具４０によりバックフォイル片１１ａを確実に挟持することができる。
また、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）として谷部１１ｂと山部１１ｃとを交互に形成したバンプフォイル（バンプフォイル片）を用い、棒状部４１を、トップフォイル１０とバックフォイル片１１ａとの間に配置している。このため、谷部１１ｂに形成された係合切欠１６に係合する規制具４０は、その棒状部４１が谷部１１ｂ上に配置されることでトップフォイル１０に干渉することを防止できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されない。前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨を逸脱しない範囲で設計要求等に基づき、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
例えば、前記実施形態ではバックフォイル１１を３つのバックフォイル片１１ａによって構成した。しかし、バックフォイル１１については、１枚の金属箔を略円筒状に成形した単一のフォイルで構成してもよい。また、複数のバックフォイル片１１ａで構成する場合には、２つ、または４つ以上のバックフォイル片１１ａでバックフォイル１１を構成するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、バックフォイル片１１ａの周方向中央部に係合切欠１６を形成し、この係合切欠１６に係合凸部３３（４３）を係合させることで、係合切欠１６の形成箇所をバックフォイル片１１ａの固定端（固定点）としている。しかし、係合切欠１６をバックフォイル片１１ａの周方向端部に形成してもよい。同様に、バックフォイル１１を単一のフォイルで構成した場合にも、係合切欠１６をこのバックフォイル１１の周方向端部に形成してもよい。

また、前記実施形態では、係止凸部３２（４２）、係止凹部２１をそれぞれ１つずつ形成したが、それぞれ複数形成し、対応する係止凸部と係止凹部とを係止させるようにしてもよい。すなわち、１つのバックフォイル片１１ａ（又は、単一のフォイルで構成されたバックフォイル１１）の軸方向での移動を規制するために、複数の係止凹部と複数の係止凸部とが用いられてもよい。この場合、複数の係止凹部は、軸受ハウジング１２の内周面において、軸方向に延びる直線上に配置されてもよい。
また、前記実施形態では係止凹部２１を、軸受ハウジング１２を貫通する貫通孔によって形成したが、単に軸受ハウジング１２の内周面から凹んで形成された穴（非貫通の穴）によって係止凹部２１を形成してもよい。

また、前記実施形態では、トップフォイル１０についてもこれを溶接で固定することなく、その一方の端部１０ａを軸受ハウジング１２に形成した溝１３に係合させることで、軸受ハウジング１２内に収容・固定している。しかし、トップフォイル１０の固定については、溶接を含む任意の方法によって行うことができる。

また、前記実施形態の規制具３０（４０）は、棒状部３１（４１）を備えており、全体として棒状に形成されている。しかし、本発明の規制具が、例えば帯状（軸受ハウジングの軸方向に延びる細長い板状）に形成されていてもよく、規制具の板面が軸受ハウジングの内周面と平行に配置されていてもよい。

本発明は、回転軸を取り囲んで支持するラジアルフォイル軸受に利用することができる。

１ 回転軸
３ ラジアルフォイル軸受
１０ トップフォイル
１１ バックフォイル
１１ａ バックフォイル片
１１ｂ 谷部
１１ｃ 山部
１１ｄ 係止孔
１２ 軸受ハウジング
１６ 係合切欠
２０ 保持溝
２１ 係止凹部
３０、４０ 規制具
３１、４１ 棒状部
３２、４２ 係止凸部
３３、４３ 係合凸部

Claims (9)

1. 回転軸を取り囲んで該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、
   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、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
   前記軸受ハウジングには、前記軸受ハウジングの少なくとも軸方向への前記バックフォイルの動きを規制する規制具が設けられ、
   前記軸受ハウジングの内周面の前記軸方向での中央部に係止凹部が形成され、
   前記規制具は、係止凸部を有し、該係止凸部が前記軸受ハウジングの前記係止凹部に係止することにより、前記軸受ハウジングに固定されているラジアルフォイル軸受。
2. 前記軸受ハウジングの内周面には、前記係止凹部に連通する保持溝が前記軸方向に沿って形成され、
   前記規制具は、棒状部と、該棒状部に設けられた係合凸部と、を有し、
   前記棒状部は、その長さ方向での中央部に前記係止凸部を有し、前記係止凸部が前記係止凹部に係止した状態で前記保持溝に収容されて固定され、
   前記係合凸部は、前記保持溝の上方に突出し、
   前記バックフォイルには、前記係合凸部に係合する係合切欠が形成されている請求項１に記載のラジアルフォイル軸受。
3. 前記係合凸部は前記棒状部の長さ方向での両端部にそれぞれ設けられ、
   前記バックフォイルの前記軸方向での両端縁部に前記係合切欠がそれぞれ形成されている請求項２に記載のラジアルフォイル軸受。
4. 前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って、該軸受ハウジングに接する谷部と、前記トップフォイルに向けて膨出する山部とを交互に配置した波板状に形成され、
   前記バックフォイルの前記係合切欠は、前記谷部に形成されている請求項２又は３に記載のラジアルフォイル軸受。
5. 前記軸受ハウジングの内周面には、前記係止凹部に連通する保持溝が前記軸方向に沿って形成され、
   前記バックフォイルには係止孔と係合切欠とが形成され、
   前記規制具は、棒状部と、該棒状部に設けられて前記バックフォイルの前記係合切欠に係合する係合凸部と、を有し、
   前記棒状部は、その長さ方向での中央部に前記係止凸部を有し、前記軸受ハウジングとの間に前記バックフォイルが位置し且つ前記係止凸部が前記係止孔を通って前記係止凹部に係止している状態で前記保持溝の上方に配置されている請求項１に記載のラジアルフォイル軸受。
6. 前記係合凸部は前記棒状部の長さ方向での両端部にそれぞれ設けられ、
   前記バックフォイルの前記軸方向での両端縁部に前記係合切欠がそれぞれ形成されている請求項５に記載のラジアルフォイル軸受。
7. 前記係合凸部は、前記バックフォイルの前記係合切欠に係合するとともに前記保持溝に差し込まれている請求項６に記載のラジアルフォイル軸受。
8. 前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って、該軸受ハウジングに接する谷部と、前記トップフォイルに向けて膨出する山部とを交互に配置した波板状に形成され、
   前記バックフォイルの前記係合切欠は、前記谷部に形成され、
   前記棒状部は、前記トップフォイルと前記バックフォイルとの間に配置されている請求項６又は７に記載のラジアルフォイル軸受。
9. 前記係止凹部は、前記軸受ハウジングの内周面から外周面にまで貫通する貫通孔によって形成されている請求項１から８のいずれか一項に記載のラジアルフォイル軸受。

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