JPWO2020149137A1 - スラストフォイル軸受 - Google Patents

Abstract

このスラストフォイル軸受（３）は、シャフト（１）に取り付けられたスラストカラー（４）と軸方向で対向するフォイル（１０，２０）と、前記フォイルを支持し、前記スラストカラーを囲むケース（８）と、を有し、前記ケースに、冷却孔（５０）が形成されている。

Description

本開示は、スラストフォイル軸受に関するものである。
本願は、２０１９年１月１７日に日本に出願された特願２０１９−００５７９０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、回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラストフォイル軸受が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。スラストフォイル軸受は、振動や衝撃によって発生する回転軸の動き（スラストカラーの軸方向変位と傾き）を吸収できるように、軸受面が柔軟なフォイル（金属製薄板）によって形成されており、軸受面の下に軸受面を柔軟に支持するためのフォイル構造を有している。

スラストフォイル軸受には、周方向に複数のトップフォイル片とバックフォイル片が配列された形態がある。トップフォイル片は、バックフォイル片に支持されており、スラストカラーの回転により、トップフォイル片とスラストカラーとの間に潤滑流体が導入される。この潤滑流体がトップフォイル片とスラストカラーとの間に楔状の流体潤滑膜を形成し、スラストフォイル軸受の負荷能力が発揮される。

国際公開第２０１４／０６１６９８号

ところで、流体潤滑膜には、流体粘性に起因するせん断力が作用し、発熱する。このため、流体潤滑膜を形成するフォイルないしスラストカラーの表面がその熱により歪み、スラストフォイル軸受の負荷能力が十分に得られない場合がある。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、流体潤滑膜の発熱によるスラストフォイル軸受の負荷能力の低下を抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本開示の一態様のスラストフォイル軸受は、シャフトに取り付けられたスラストカラーと軸方向で対向するフォイルと、前記フォイルを支持し、前記スラストカラーを囲むケースと、を有し、前記ケースに、冷却孔が形成されている。

また、本開示の前記一態様においては、前記ケースには、前記シャフトが挿通される挿通孔が形成されており、前記冷却孔が、前記挿通孔の径方向における、前記ケースの外周側に形成されていてもよい。

また、本開示の前記一態様においては、前記ケースは、前記フォイルを支持すると共に、前記挿通孔が形成されたベースプレートと、前記ベースプレートの外周側に取り付けられた環状の軸受スペーサと、を有してもよい。

また、本開示の前記一態様においては、前記軸受スペーサには、前記冷却孔として、前記スラストカラーの軸方向位置に位置する第１の冷却孔、及び、前記フォイルの軸方向位置に位置する第２の冷却孔の少なくともいずれか一方が形成されていてもよい。

また、本開示の前記一態様においては、前記ベースプレートには、前記冷却孔として、前記フォイルと軸方向で重なる第３の冷却孔、及び、前記フォイルと軸方向で重ならない第４の冷却孔の少なくともいずれか一方が形成されていてもよい。

また、本開示の前記一態様においては、前記冷却孔は、径方向外側から径方向内側に向かうに従って、前記スラストカラーの回転方向に向かって傾いていてもよい。

また、本開示の前記一態様においては、前記冷却孔は、径方向外側から径方向内側に向かうに従って、前記スラストカラーの回転方向と反対の反回転方向に向かって傾いていてもよい。

また、本開示の前記一態様においては、前記冷却孔は、軸方向において、前記ケースが有するベースプレートから前記スラストカラーに向かうに従って、前記スラストカラーの回転方向に向かって傾いていてもよい。

また、本開示の前記一態様においては、前記冷却孔は、軸方向において、前記ケースが有するベースプレートから前記スラストカラーに向かうに従って、前記スラストカラーの回転方向と反対の反回転方向に向かって傾いていてもよい。

また、本開示の前記一態様においては、前記スラストカラーの外周面に、凹凸が形成されていてもよい。

本開示によれば、流体潤滑膜の発熱によるスラストフォイル軸受の負荷能力の低下を抑制できる。

本開示のスラスト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る。 本開示の第１実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す側面図である。 本開示の第１実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す平面図である。 図３に示す矢視Ａ−Ａ図である。 トップフォイル片に作用する流体潤滑膜の圧力分布を示す解析図である。 本開示の第２実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す平面図である。 図６に示す矢視Ｂ−Ｂ図である。 本開示の第３実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す平面図である。 本開示の第３実施形態の変形例に係るスラストフォイル軸受を示す断面図である。 本開示の第４実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す平面図である。 本開示の第４実施形態の変形例に係るスラストフォイル軸受を示す断面図である。 本開示の第５実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す側面図である。 本開示の第５実施形態の変形例に係るスラストフォイル軸受を示す側面図である。

以下、図面を参照して本開示のスラストフォイル軸受を詳しく説明する。

図１は、本開示のスラスト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る。
図１中、符号１は回転軸（シャフト）、符号２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、符号３は本開示に係るスラストフォイル軸受である。

回転軸１には、円板状のスラストカラー４が取り付けられている。スラストカラー４は、一対のスラストフォイル軸受３に挟まれている。インペラ２は、静止側となるハウジング５内に配置されており、ハウジング５との間にチップクリアランス６を有している。回転軸１は、ラジアルフォイル軸受７に支持されている。

（第１実施形態）
図２は、本開示の第１実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す側面図である。
スラストフォイル軸受３は、図２に示すように、スラストカラー４を軸方向に挟んで両側に一対で設けられている。これら一対のスラストフォイル軸受３は、共に同じ構成となっている。スラストフォイル軸受３は、トップフォイル１０と、バックフォイル２０と、ベースプレート３０と、を備える。

スラストカラー４は、ケース８によって囲まれている。ケース８は、一対のスラストフォイル軸受３のそれぞれのベースプレート３０と、これらベースプレート３０の間に挟持された円筒状の軸受スペーサ４０と、を備える。一対のベースプレート３０は、締結ボルト４１によって軸受スペーサ４０を介して連結されている。ベースプレート３０の外周部には、締結ボルト４１を挿通するための貫通孔４２が形成されている。なお、本開示の一対のベースプレート３０のうちの一方は、締結ボルト４１による締め付けによってハウジング５に当接している。

図３は、本開示の第１実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す平面図である。図４は、図３に示す矢視Ａ−Ａ図である。
ベースプレート３０は、図３に示すように、回転軸１が挿通される挿通孔３０ａを有する。

なお、以下の説明においては、挿通孔３０ａを基準に各部材の位置関係を説明することがある。具体的に、「軸方向」とは、挿通孔３０ａが延びる方向（回転軸１が挿通される方向）を言う。また、「径方向」とは、挿通孔３０ａの径方向を言う。また、「周方向」とは、挿通孔３０ａの内周面に沿った周方向を言う。あるいは、挿通孔３０ａに挿通された回転軸１の軸心を基準に、当該軸心から視た「径方向」及び「周方向」とも言える。また、「回転方向」とは、挿通孔３０ａに挿通された回転軸１、またはスラストカラー４が回転する方向を言う。

ベースプレート３０は、軸方向におけるスラストフォイル軸受３の最外部（スラストカラー４の反対側）を構成している。すなわち、ベースプレート３０は、軸方向において、トップフォイル１０及びバックフォイル２０をスラストカラー４との間に挟んでいる。ベースプレート３０には、挿通孔３０ａが形成されている。すなわち、本開示のベースプレート３０は、挿通孔３０ａが形成された円板状の部材である。しかし、挿通孔３０ａを有すれば、ベースプレート３０は、円板状以外の部材（例えば矩形板状）であってもよい。また、挿通孔３０ａについても、必ずしも厳密な円筒形状である必要はない。

ベースプレート３０は、例えば、厚さ数ｍｍ程度の金属板から形成されている。スラストカラー４と対向して配置されるベースプレート３０の平坦面３０ｂにおける挿通孔３０ａ（開口）の周囲には、フォイル（トップフォイル１０及びバックフォイル２０）が配置されている。具体的に、トップフォイル１０は、バックフォイル２０に支持され、バックフォイル２０は、ベースプレート３０に支持されている。つまり、トップフォイル１０は、バックフォイル２０を介し、ベースプレート３０にも支持されている。

トップフォイル１０は、挿通孔３０ａの周囲に配列された複数の金属製の薄板（トップフォイル片１１）によって形成されている。トップフォイル片１１は、周方向一方側（回転軸１の回転方向上流側）から周方向他方側（回転軸１の回転方向下流側）に向かって上方（図３において紙面手前側。あるいは、軸方向に沿ったベースプレート３０からトップフォイル片１１に向かう方向）に傾斜する傾斜部１２と、傾斜部１２の周方向一方側に連設され、ベースプレート３０に取り付けられる取付部１３と、を有している。

傾斜部１２は、図３に示すように、扇形の頂点側を切り欠いて内周側、外周側をそれぞれ円弧状とした、略台形状に形成されている。すなわち、傾斜部１２は、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する外周側の端縁を備えている。傾斜部１２の周方向他方側の、内周側から外周側に延びる端縁（以下、周方向他方側の端部１２ａと言う）は、自由端となっている。

一方で、傾斜部１２の周方向一方側の、内周側から外周側に延びる端縁は、曲げ部１４を介して取付部１３に接続されている。曲げ部１４は、図４に示すように、第１の屈曲と、第１の屈曲の周方向他方側に位置する第２の屈曲とで構成されている。第１の屈曲は、トップフォイル片１１のベースプレート３０に対向する面の背面側に屈曲している。第２の屈曲は、トップフォイル片１１のベースプレート３０に対向する面側に屈曲している。つまり、曲げ部１４は、階段状となっている。なお、第１の屈曲、第２の屈曲は、いずれも鈍角となっている。

曲げ部１４よりも周方向他方側に位置する傾斜部１２は、後述するバックフォイル片２１の支持部２２に支持されている。支持部２２に支持された傾斜部１２は、周方向一方側から周方向他方側に向かうに連れて、ベースプレート３０から漸次遠ざかるように初期傾斜角で傾斜して配置されている。ここで、初期傾斜角とは、荷重がゼロのときのベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の傾斜角を意味する。本開示のベースプレート３０は、軸方向に直交する方向に広がる平坦面３０ｂを有し、傾斜部１２は、当該平坦面３０ｂに対し傾斜している。

取付部１３は、曲げ部１４の周方向一方側（第１の屈曲側）に接続されている。本開示では、この取付部１３は、径方向において曲げ部１４と同じ長さで帯状に形成され、ベースプレート３０に対してスポット溶接（点付溶接）されている。つまり、この溶接位置が、ベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の取付位置となっている。なお、ベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の取り付けについては、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどによっても行うことができる。また、取付部１３と曲げ部１４は、必ずしも径方向において同じ長さである必要はない。

一方、バックフォイル２０は、挿通孔３０ａの周囲に配列された複数の金属製の薄板（バックフォイル片２１）によって形成されている。バックフォイル片２１は、トップフォイル片１１の傾斜部１２を支持する支持部２２を有している。支持部２２は、図４に示すように、山部２２ａと谷部２２ｂが交互に形成された波型のフォイル（バンプフォイル）である。支持部２２は、トップフォイル片１１の傾斜部１２を弾性的に支持している。

なお、支持部２２としては、例えば、バンプフォイル、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を用いることができる。なお、日本国特開２００６−５７６５２号公報や日本国特開２００４−２７０９０４号公報に記載されているスプリングフォイル、日本国特開２００９−２９９７４８号公報に記載されているバックフォイルは、ラジアル軸受に用いられるフォイルであるが、これらを平面状に展開して円環板状に形成すれば、スラストフォイル軸受３に用いられるフォイル（支持部２２）となる。

本開示の支持部２２は、バンプフォイルから形成されている。支持部２２は、図３に示す平面視で、トップフォイル片１１の傾斜部１２よりも一回り小さく形成されている。したがって、支持部２２は、傾斜部１２に覆われている。支持部２２は、傾斜部１２と同様に、扇形の頂点側を切り欠いて内周側、外周側をそれぞれ円弧状とした、略台形状に形成されている。すなわち、支持部２２は、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する外周側の端縁を備えている。

支持部２２の周方向一方側の、内周側から外周側に延びる端縁（以下、周方向一方側の端部）には、支持部２２の周方向他方側の、内周側から外周側に延びる端縁（以下、周方向他方側の端部）に対して、平行に延びる平行部（以下、バックフォイル端部２１ａと言う）が形成されている。支持部２２には、バックフォイル端部２１ａから支持部２２の周方向他方側の端部に向かう第１方向において、すなわち、バックフォイル端部２１ａないし支持部２２の周方向他方側の端部とそれぞれ直交する法線方向（山部２２ａの稜線と直交する方向とも言う）において、谷部２２ｂと山部２２ａが交互に連なっている。

図４に示すように、谷部２２ｂは、平坦面を備えベースプレート３０に対向している。また、山部２２ａは、隣接する谷部２２ｂを繋ぐアーチ状の部位となっている。バックフォイル片２１は、ベースプレート３０に支持されている。そのため、谷部２２ｂは、ベースプレート３０と当接可能である。支持部２２の両端部、すなわち、バックフォイル端部２１ａと、支持部２２の周方向他方側の端部（以下、取付部２１ｂ）は、それぞれ谷部２２ｂによって形成されている。

本開示では、谷部２２ｂ及び山部２２ａは、それぞれほぼ等ピッチで形成されている。また、山部２２ａの高さは、一定の高さ（谷部２２ｂと山部２２ａの高さの差）で形成されている。すなわち、バックフォイル片２１は、隣り合う谷部２２ｂと山部２２ａの高さの差が一定となるように形成されている。ベースプレート３０には、支持部２２を支持する支持面３１が形成されている。支持面３１は、第１方向の他方側（図４において紙面右側）に向かうに従って漸次高さが増大する傾斜面となっている。なお、本開示において、第１方向他方側と、周方向他方側の向きは一致していないが、その間の角度は劣角となっている。支持面３１は、ベースプレート３０の平坦面３０ｂに対して所定角度で傾いている。この角度は、トップフォイル片１１の傾斜部１２の初期傾斜角に対応している。なお、支持面３１が傾斜していない場合には、山部２２ａの高さが、第１方向の他方側に向かうに従って漸次高くなっていてもよい。

バックフォイル片２１の取付部２１ｂは、ベースプレート３０に対してスポット溶接（点付溶接）されている。つまり、この溶接位置が、ベースプレート３０に対するバックフォイル片２１の取付位置となっている。つまり、本開示において、バックフォイル片２１の取付位置は、第１方向の他方側（図４において紙面右側）の端に位置する谷部２２ｂ（取付部２１ｂ）となっている。

また、バックフォイル片２１の第１方向の一方側（図４において紙面左側）の端に位置する谷部２２ｂ（バックフォイル端部２１ａ）は、自由端となっている。すなわち、バックフォイル片２１に荷重が作用すると、バックフォイル端部２１ａが、第１方向一方側に向かって移動することが可能である。なお、ベースプレート３０に対するバックフォイル片２１の取り付けについては、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどによっても行うことができる。

上記構成のトップフォイル片１１、バックフォイル片２１は、図３に示すように、挿通孔３０ａを中心として、環状に配置されている。本開示のベースプレート３０は、周方向において、６枚のトップフォイル片１１、バックフォイル片２１を支持している。周方向で隣り合うトップフォイル片１１（バックフォイル片２１）の間には、径方向に延びる周方向隙間Ｓ１がそれぞれ形成されている。周方向隙間Ｓ１は、径方向内側から径方向外側に向かうに従って周方向における幅が漸次大きくなっている。

図２に戻り、スラストカラー４を囲むケース８には、冷却孔５０が形成されている。冷却孔５０は、冷却ガス供給源９と接続され、ケース８の内側に冷却ガスＧを導入する。なお、冷却ガスＧは、冷却孔５０以外の位置からもケース８の内側に導入されている。具体的には、一対のベースプレート３０のいずれか一方の挿通孔３０ａと回転軸１との隙間から、冷却ガスＧがケース８の内側に導入されている。

この冷却ガスＧは、スラストカラー４と軸方向で衝突した後、トップフォイル片１１及びバックフォイル片２１の裏側ないし周方向隙間Ｓ１（図３参照）を通って径方向外側に流通し、その後、スラストカラー４の外側を回り込んで、トップフォイル片１１及びバックフォイル片２１の裏側ないし周方向隙間Ｓ１を径方向内側に流通し、他方のベースプレート３０の挿通孔３０ａと回転軸１との隙間からケース８の外側に排出される。冷却ガス供給源９は、この軸方向に抜ける冷却ガスＧと共通の冷却ガス供給源であってもよいし、別途に用意した冷却ガス供給源（ファン、ブロア、ポンプ等）であってもよい。

本開示の冷却孔５０は、軸受スペーサ４０に径方向に貫通して形成されている。つまり、冷却孔５０は、ケース８の外周側に形成されている。冷却孔５０は、スラストカラー４と径方向において対向する軸受スペーサ４０の内外周（内周面と外周面）を連通させている。軸受スペーサ４０には、冷却孔５０として、スラストカラー４の軸方向位置に位置する第１の冷却孔５１、及び、トップフォイル片１１の軸方向位置に位置する第２の冷却孔５２が形成されている。すなわち、第１の冷却孔５１は、スラストカラー４と軸方向において同等の位置に設けられ、第２の冷却孔５２は、トップフォイル片１１と軸方向において同等の位置に設けられる。第２の冷却孔５２は、一対のスラストフォイル軸受３のトップフォイル片１１に対応して、軸方向において第１の冷却孔５１を挟んだ両側に形成されている。

第１の冷却孔５１は、スラストカラー４の軸方向中間位置に形成されている。つまり、第１の冷却孔５１は、スラストカラー４の外周面と対向している。第１の冷却孔５１は、第２の冷却孔５２よりも径が大きい。あるいは、第１の冷却孔５１の孔の形状によっては、スロートにあたる部位の面積が大きいとも言える。また、第１の冷却孔５１は、図３に示すように、周方向隙間Ｓ１と周方向位置が一致している。つまり、本開示では、６個の周方向隙間Ｓ１に対して、６個の第１の冷却孔５１が形成されている。なお、スラストカラー４の温度分布は、周方向においてほぼ一様になるため、第１の冷却孔５１の周方向位置は、周方向隙間Ｓ１と必ずしも一致させる必要はない。

第２の冷却孔５２は、図２に示すように、トップフォイル片１１の傾斜した周方向他方側の端部１２ａの軸方向位置に形成されている。すなわち、第２の冷却孔５２の軸方向位置は、周方向他方側の端（紙面右側の端）においてトップフォイル片１１を支持するバックフォイル片２１の山部２２ａの稜線の高さ（軸方向位置）と同程度であるとよい。あるいは、スラストカラー４と、ベースプレート３０の間の空間の軸方向位置に対向する、軸受スペーサ４０の内周面の軸方向位置に、開口があるとも言える。第２の冷却孔５２は、図３に示すように、１個のトップフォイル片１１に対して、周方向に間隔をあけて複数形成されている。これら第２の冷却孔５２の周方向位置は、トップフォイル片１１の周方向他方側の端部１２ａの近傍であるとよい。具体的に、これら第２の冷却孔５２の周方向位置は、周方向他方側の端に位置する山部２２ａと、その山部２２ａに隣接する山部２２ａの周方向幅の範囲内（２個の山部２２ａの周方向幅の範囲内）にあるとよい。

次に、このような構成からなるスラストフォイル軸受３の作用について説明する。
スラストフォイル軸受３は、図２に示すように、スラストカラー４を軸方向に挟んだ両側にそれぞれ設けられている。そのため、回転軸１のスラスト方向（軸方向）両側の移動を抑制できる。

このような状態で回転軸１が回転し、スラストカラー４が回転を始めると、スラストカラー４とトップフォイル片１１は擦れ合いつつ、両者の間に形成されたくさび形の空間に周囲流体が押し込まれる。そして、スラストカラー４が一定の回転速度に達すると、両者の間に流体潤滑膜が形成される。この流体潤滑膜の圧力によってトップフォイル片１１はバックフォイル片２１側へ押し付けられ、スラストカラー４はトップフォイル片１１との接触状態を脱し、非接触で回転するようになる。

図５は、トップフォイル片に作用する流体潤滑膜の圧力分布を示す解析図である。図５においては、圧力の高低を、ドットの濃淡で示している。
トップフォイル片の下流端側（回転軸の回転方向下流側（周方向の他方側））は、くさび形の空間の最も狭まった部分になるため、図５に示すように、流体潤滑膜による高い圧力が作用することになる。なお、流体潤滑膜による高い圧力は、図５では、トップフォイル片の外周側に作用しているが、バンプフォイル片の支持剛性によっては、その位置は径方向に変化し得る。しかし、トップフォイル片の外周側では、その内周側よりもスラストカラーの周速が速いので、トップフォイル片の外周側に、流体潤滑膜による高い圧力が作用しやすい傾向がある。

つまり、トップフォイル片１１の外周側及び、トップフォイル片１１の外周側と対向するスラストカラー４の外周側は、流体潤滑膜の流体粘性に起因するせん断力により発熱しやすい傾向がある。ここで、本開示では、図２に示すように、ベースプレート３０の挿通孔３０ａと回転軸１の隙間から、冷却ガスＧを導入している。この冷却ガスＧによれば、スラストフォイル軸受３を一様に冷却できる。しかしながら、上述したように、トップフォイル片１１とスラストカラー４の温度分布は一様ではなく、流体潤滑膜の薄いところ（トップフォイル片１１の周方向他方側の端部１２ａ付近）が最も高温になるため、ベースプレート３０の挿通孔３０ａと回転軸１の隙間から導入される冷却ガスＧだけでは効率的な冷却ができないおそれがある。

このため、本開示では、図２に示すように、ケース８の外周側、具体的には、ベースプレート３０の外周側に取り付けられた環状の軸受スペーサ４０に冷却孔５０を形成している。このように、スラストカラー４の外周面を内包するように設置された環状部品（軸受スペーサ４０）の内周面に、冷却ガスＧを放出する冷却孔５０を形成することで、スラストカラー４の外周側及びトップフォイル片１１の外周側を狙って冷却ガスＧを吹き付けることができる。すなわち、スラストフォイル軸受３の発熱源に直接、冷却ガスＧを吹き付けることができるため、スラストフォイル軸受３を効率的に冷却できる。これにより、トップフォイル片１１ないしスラストカラー４の表面の、熱による歪みを抑制し、スラストフォイル軸受３の負荷能力の低下を抑制できる。

また、軸受スペーサ４０には、冷却孔５０として、スラストカラー４の軸方向位置に位置する第１の冷却孔５１、及び、トップフォイル片１１の軸方向位置に位置する第２の冷却孔５２が形成されている。第１の冷却孔５１を形成することで、スラストカラー４の外周面に直接、冷却ガスＧを吹き付けることができるため、スラストカラー４の外周側を効率的に冷却できる。さらに、第２の冷却孔５２を形成することで、図３に示すように、流体潤滑膜が薄くなるトップフォイル片１１の周方向他方側の端部１２ａに直接、冷却ガスＧを吹き付けることができるため、トップフォイル片１１の外周側を効率的に冷却できる。

したがって、上述した第１実施形態によれば、回転軸１に取り付けられたスラストカラー４と軸方向で対向するフォイルと、フォイルを支持し、スラストカラー４を囲むケース８と、を有し、ケース８に、冷却孔５０が形成されている、という構成を採用することによって、流体潤滑膜の発熱によるスラストフォイル軸受３の負荷能力の低下を抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本開示の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図６は、本開示の第２実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す平面図である。図７は、図６に示す矢視Ｂ−Ｂ図である。
これらの図に示すように、第２実施形態では、軸受スペーサ４０ではなく、ベースプレート３０の外周側に冷却孔５０が形成されている点で、上記実施形態と異なる。なお、ベースプレート３０の外周側とは、挿通孔３０ａから軸受スペーサ４０の内周面まで径方向距離の中間位置から、軸受スペーサ４０の内周面の径方向位置に至る環状の領域を言う。

ベースプレート３０には、冷却孔５０として、トップフォイル片１１（またはバックフォイル片２１）と軸方向で重なる第３の冷却孔５３、及び、トップフォイル片１１と軸方向で重ならない第４の冷却孔５４が形成されている。つまり、ケース８の外側から軸方向にみると、第３の冷却孔５３を通しバックフォイル片２１が見えており、また、第４の冷却孔５４を通しスラストカラー４が見えている。第３の冷却孔５３は、図７に示すように、トップフォイル片１１及びバックフォイル片２１が配置される支持面３１に形成されている。第３の冷却孔５３は、バックフォイル片２１の山部２２ａの裏面（非接地領域、支持面３１に接しない領域）に対向している。第３の冷却孔５３は、第１方向の他方側（図７において紙面右側）の端に位置する山部２２ａと、その山部２２ａに隣接する山部２２ａの裏面にそれぞれ対向するように、第１方向に間隔をあけて複数形成されている。

第４の冷却孔５４は、図６に示すように、トップフォイル片１１及びバックフォイル片２１の周方向隙間Ｓ１において、径方向に間隔をあけて複数形成されている。第４の冷却孔５４は、周方向隙間Ｓ１の外周側に形成されている。具体的に、第４の冷却孔５４は、挿通孔３０ａの内周面（ベースプレート３０の径方向の内端）と軸受スペーサ４０の内周面との径方向距離の中間位置（第１の位置と言う）と、トップフォイル片１１の外周側の端縁付近の径方向位置（第２の位置と言う）と、第１の位置及び第２の位置の径方向中間位置（第３の位置と言う）の計３箇所に形成されている。

上記構成の第２実施形態によれば、トップフォイル片１１と軸方向で重なる位置に形成された第３の冷却孔５３によって、トップフォイル片１１を支持するバックフォイル片２１の裏面に直接、冷却ガスＧを吹き付けることができる。このため、バックフォイル片２１を介してトップフォイル片１１の外周側を効率的に冷却できる。また、トップフォイル片１１と軸方向で重ならない位置に形成された第４の冷却孔５４によって、トップフォイル片１１に遮られることなくスラストカラー４に直接、冷却ガスＧを吹き付けることができる。したがって、スラストカラー４の外周側を効率的に冷却できる。

（第３実施形態）
次に、本開示の第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図８は、本開示の第３実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す平面図である。
図８に示すように、第３実施形態では、冷却孔５０の一部が、径方向外側から径方向内側に向かうに従って、スラストカラー４の回転方向に向かって傾いている。図８では、軸受スペーサ４０に形成された第１の冷却孔５１Ａが、径方向外側から径方向内側に向かうに従って、スラストカラー４の回転方向に向かって傾いている。

第１の冷却孔５１Ａは、軸受スペーサ４０の内周面における開口位置が、軸受スペーサ４０の外周面における開口位置よりも、周方向他方側（回転方向下流側）に位置している。なお、第１の冷却孔５１Ａは、上述したように、スラストカラー４の軸方向位置に形成されており、スラストカラー４の外周面に冷却ガスＧを吹き付けることができる。

このように、第１の冷却孔５１Ａがスラストカラー４の回転方向に向かって傾いている場合、回転しているスラストカラー４に対する、吹き付けられる冷却ガスＧの相対速度が小さくなり、軸受損失が減る。また、第１の冷却孔５１Ａから吹き付けられた冷却ガスＧが、スラストカラー４の回転方向下流側のトップフォイル片１１に供給されるため、回転方向下流側に配置されたトップフォイル片１１の冷却効果を上げることができる。

また、第３実施形態では、図９に示すような変形例を採用し得る。
図９は、本開示の第３実施形態の変形例に係るスラストフォイル軸受３を示す断面図である。なお、図９は、上述した図６のＢ−Ｂ断面に対応している。
図９に示すように、ベースプレート３０に形成された第４の冷却孔５４Ａが、軸方向においてベースプレート３０からスラストカラー４に向かうに従って、スラストカラー４の回転方向に向かって傾いていてもよい。つまり、第４の冷却孔５４Ａは、ベースプレート３０のスラストカラー４側の平坦面３０ｂにおける開口位置が、ベースプレート３０のスラストカラー４の反対側の面における開口位置よりも、周方向他方側（回転方向下流側）に位置してもよい。

このように、第４の冷却孔５４Ａがスラストカラー４の回転方向に向かって傾いている場合、上述した第１の冷却孔５１Ａと同様に、回転しているスラストカラー４に対する、吹き付けられる冷却ガスＧの相対速度が小さくなり、軸受損失が減る。また、第４の冷却孔５４Ａから吹き付けられた冷却ガスＧが、スラストカラー４の回転方向下流側のトップフォイル片１１に供給されるため、回転方向下流側に配置されたトップフォイル片１１の冷却効果を上げることができる。

（第４実施形態）
次に、本開示の第４実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図１０は、本開示の第４実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す平面図である。
図１０に示すように、第４実施形態では、冷却孔５０の一部が、径方向外側から径方向内側に向かうに従って、スラストカラー４の回転方向と反対の反回転方向に向かって傾いている。図１０では、軸受スペーサ４０に形成された第１の冷却孔５１Ｂが、径方向外側から径方向内側に向かうに従って、スラストカラー４の反回転方向に向かって傾いている。

第１の冷却孔５１Ｂは、軸受スペーサ４０の内周面における開口位置が、軸受スペーサ４０の外周面における開口位置よりも、周方向一方側（回転方向上流側）に位置している。なお、第１の冷却孔５１Ｂは、上述したように、スラストカラー４の軸方向位置に形成されており、スラストカラー４の外周面に冷却ガスＧを吹き付けることができる。

このように、第１の冷却孔５１Ｂがスラストカラー４の反回転方向に向かって傾いている場合、回転しているスラストカラー４に対する、吹き付けられる冷却ガスＧの相対速度が大きくなる。つまり、スラストカラー４側からみると、冷却ガスＧが高速で吹き付けられることになるため、スラストカラー４における冷却効率を高めることができる。

また、第４実施形態では、図１１に示すような変形例を採用し得る。
図１１は、本開示の第４実施形態の変形例に係るスラストフォイル軸受３を示す断面図である。なお、図１１は、上述した図６のＢ−Ｂ断面に対応している。
図１１に示すように、ベースプレート３０に形成された第４の冷却孔５４Ｂが、軸方向においてベースプレート３０からスラストカラー４に向かうに従って、スラストカラー４の反回転方向に向かって傾いていてもよい。つまり、第４の冷却孔５４Ｂは、ベースプレート３０のスラストカラー４側の平坦面３０ｂにおける開口位置が、ベースプレート３０のスラストカラー４の反対側の面における開口位置よりも、周方向一方側（回転方向上流側）に位置してもよい。

このように、第４の冷却孔５４Ｂがスラストカラー４の反回転方向に向かって傾いている場合、上述した第１の冷却孔５１Ｂと同様に、回転しているスラストカラー４に対する、吹き付けられる冷却ガスＧの相対速度が大きくなる。つまり、スラストカラー４側からみると、冷却ガスＧが高速で吹き付けられることになるため、スラストカラー４における冷却効率を高めることができる。

（第５実施形態）
次に、本開示の第５実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図１２は、本開示の第５実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す側面図である。
図１２に示すように、第５実施形態では、スラストカラー４の外周面に、凹凸６０が形成されている。

図１２に示す凹凸６０は、スラストカラー４の軸方向中間位置を、径方向における溝底とする環状の凹部６１と、凹部６１の溝底に対して相対的に径方向外側に突出した環状の凸部６２と、を有する。凹部６１は、スラストカラー４の外周面において軸方向一端部から他端部にかけて半円状に形成されている。凸部６２は、凹部６１の軸方向の両側においてスラストカラー４の外周面の径方向位置（径方向外側の端部）まで延びている。

上記構成の第５実施形態によれば、スラストカラー４の外周面に凹凸６０が形成されることで、冷却孔５０（第１の冷却孔５１）から吹き付けられる冷却ガスＧとの接触面積が増えるため、スラストカラー４の外周側における冷却効率を高めることができる。

また、第５実施形態では、図１３に示すような変形例を採用し得る。
図１３は、本開示の第５実施形態の変形例に係るスラストフォイル軸受３を示す側面図である。
図１３に示すように、スラストカラー４の外周面に、複数の凹部６１が形成されていてもよい。図１３に示す凹部６１は、スラストカラー４の外周面に半円球状に形成されている。スラストカラー４の外周面は、複数の凹部６１によってディンプル状に形成されている。なお、凸部６２は、凹部６１が形成されなかったスラストカラー４の外周面である。

このように、スラストカラー４の外周面に凹凸６０が形成されることで、冷却孔５０（第１の冷却孔５１）から吹き付けられる冷却ガスＧとの接触面積が増えるため、スラストカラー４の外周側における冷却効率を高めることができる。

以上、図面を参照しながら本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した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、本開示の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、第１の冷却孔５１及び第２の冷却孔５２が形成されたケース８について説明したが、第１の冷却孔５１及び第２の冷却孔５２のいずれか一方が形成されたケース８であっても構わない。
また、上記実施形態では、第３の冷却孔５３及び第４の冷却孔５４が形成されたケース８について説明したが、第３の冷却孔５３及び第４の冷却孔５４のいずれか一方が形成されたケース８であっても構わない。
また、ケース８に、第１の冷却孔５１と、第３の冷却孔５３ないし第４の冷却孔５４を組み合わせて形成してもよい。
さらに、ケース８に、第２の冷却孔５２と、第３の冷却孔５３ないし第４の冷却孔５４を組み合わせて形成してもよい。
つまり、ケース８には、第１の冷却孔５１、第２の冷却孔５２、第３の冷却孔５３、及び第４の冷却孔５４の少なくともいずれか１つが形成されている形態であればよい。

本開示は、流体潤滑膜の発熱によるスラストフォイル軸受の負荷能力の低下を抑制できるスラストフォイル軸受に利用することができる。

１ 回転軸（シャフト）
３ スラストフォイル軸受
８ ケース
９ 冷却ガス供給源
１０ トップフォイル
１１ トップフォイル片
１２ 傾斜部
１２ａ 端部
１３ 取付部
１４ 曲げ部
２０ バックフォイル
２１ バックフォイル片
２１ａ バックフォイル端部
２１ｂ 取付部
２２ 支持部
２２ａ 山部
２２ｂ 谷部
３０ ベースプレート
３０ａ 挿通孔
３０ｂ 平坦面
３１ 支持面
４０ 軸受スペーサ
４１ 締結ボルト
４２ 貫通孔
５０ 冷却孔
５１ 第１の冷却孔
５１Ａ 第１の冷却孔
５１Ｂ 第１の冷却孔
５２ 第２の冷却孔
５３ 第３の冷却孔
５４ 第４の冷却孔
５４Ａ 第４の冷却孔
５４Ｂ 第４の冷却孔
６０ 凹凸
６１ 凹部
６２ 凸部
Ｇ 冷却ガス
Ｓ１ 周方向隙間

Claims (10)

1. シャフトに取り付けられたスラストカラーと軸方向で対向するフォイルと、
   前記フォイルを支持し、前記スラストカラーを囲むケースと、を有し、
   前記ケースに、冷却孔が形成されている、スラストフォイル軸受。
2. 前記ケースには、前記シャフトが挿通される挿通孔が形成されており、
   前記冷却孔が、前記挿通孔の径方向における、前記ケースの外周側に形成されている、請求項１に記載のスラストフォイル軸受。
3. 前記ケースは、
   前記フォイルを支持すると共に、前記挿通孔が形成されたベースプレートと、
   前記ベースプレートの外周側に取り付けられた環状の軸受スペーサと、を有する、請求項２に記載のスラストフォイル軸受。
4. 前記軸受スペーサには、前記冷却孔として、前記スラストカラーの軸方向位置に位置する第１の冷却孔、及び、前記フォイルの軸方向位置に位置する第２の冷却孔の少なくともいずれか一方が形成されている、請求項３に記載のスラストフォイル軸受。
5. 前記ベースプレートには、前記冷却孔として、前記フォイルと軸方向で重なる第３の冷却孔、及び、前記フォイルと軸方向で重ならない第４の冷却孔の少なくともいずれか一方が形成されている、請求項３または４に記載のスラストフォイル軸受。
6. 前記冷却孔は、径方向外側から径方向内側に向かうに従って、前記スラストカラーの回転方向に向かって傾いている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。
7. 前記冷却孔は、径方向外側から径方向内側に向かうに従って、前記スラストカラーの回転方向と反対の反回転方向に向かって傾いている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。
8. 前記冷却孔は、軸方向において、前記ケースが有するベースプレートから前記スラストカラーに向かうに従って、前記スラストカラーの回転方向に向かって傾いている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。
9. 前記冷却孔は、軸方向において、前記ケースが有するベースプレートから前記スラストカラーに向かうに従って、前記スラストカラーの回転方向と反対の反回転方向に向かって傾いている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。
10. 前記スラストカラーの外周面に、凹凸が形成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。

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