WO2023189092A1 - フォイル軸受及び流体機械 - Google Patents

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WO2023189092A1
WO2023189092A1 PCT/JP2023/007034 JP2023007034W WO2023189092A1 WO 2023189092 A1 WO2023189092 A1 WO 2023189092A1 JP 2023007034 W JP2023007034 W JP 2023007034W WO 2023189092 A1 WO2023189092 A1 WO 2023189092A1
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WO
WIPO (PCT)
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foil
bearing
impeller
rotating body
bump
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/007034
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宏尚 横井
哲志 鴻村
聖 永川
將弘 鈴木
将文 都築
健太 大脇
Original Assignee
株式会社豊田自動織機
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F04D17/122—Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/02—Sliding-contact bearings

Definitions

  • the present disclosure relates to foil bearings and fluid machines.
  • a typical foil bearing rotatably supports a rotating body.
  • Foil bearings include a top foil, a bump foil, and a housing.
  • the housing has an insertion hole into which the rotating body is inserted.
  • the top foil has a bearing surface facing the rotating body.
  • a bump foil is disposed between the top foil and the housing.
  • the bump foil includes a plurality of peaks that contact the outer peripheral surface of the top foil and a plurality of troughs that contact the inner peripheral surface of the housing. The peaks and valleys are alternately arranged along the rotation direction of the rotating body.
  • the rotating body When the rotational speed of the rotating body reaches the floating rotational speed, the rotating body floats relative to the foil bearing due to the dynamic pressure of the air film generated between the rotating body and the bearing surface. Thereby, the foil bearing supports the rotating body without contacting the rotating body.
  • the rotating body may come too close to the bearing surface, which may cause an excessive load to act on the top foil.
  • the portion of the top foil that has received an excessive load is displaced closer to the housing, so that the plurality of peaks of the bump foil are pushed by the top foil.
  • the bump foil deforms so that the plurality of peaks approach the housing. If the bump foil is damaged due to such deformation of the bump foil, the bearing performance of the foil bearing may deteriorate. In a fluid machine equipped with a foil bearing, if the above-mentioned deterioration in bearing performance due to the foil bearing occurs, the reliability of the fluid machine will decrease. Therefore, it is necessary to suppress such damage to the bump foil.
  • Patent Document 1 discloses a foil bearing that includes, in addition to the bump foil, a convex portion that projects from the inner surface of the housing toward the top foil.
  • a foil bearing includes a housing having an insertion hole through which a rotating body is inserted, a cylindrical top foil having a bearing surface facing the rotating body, and a space between the top foil and the housing.
  • a thin plate-like bump foil disposed in the top foil, the bump foil having a plurality of peaks contacting the outer peripheral surface of the top foil and a plurality of troughs contacting the inner peripheral surface of the housing; troughs are arranged alternately along the rotational direction of the rotating body, and the plurality of peaks and the plurality of troughs extend in the rotational direction to elastically support the top foil.
  • the bump foil when the load that the bearing surface receives from the rotating body is less than or equal to a threshold value, the bump foil has gaps between the plurality of peaks and the housing, and the bump foil has gaps between the plurality of peaks and the plurality of valleys.
  • the bump foil is configured to support the top foil with a gap between the bump foil and the top foil, and when the load that the bearing surface receives from the rotating body exceeds the threshold value, the bump foil portions also contact the inner circumferential surface of the housing, the plurality of valley portions also contact the outer circumferential surface of the top foil to support the top foil, and the top foil and the bump foil are locally plane. It is configured to function as a bearing to support the rotating body.
  • contact includes not only static contact but also dynamic contact.
  • the outer circumferential surface of the top foil and the plurality of peaks may be in contact with each other before the rotating body rotates.
  • the outer circumferential surface of the top foil and the plurality of peaks may not be in contact with each other before the rotating body rotates, and as the rotating body rotates, the plurality of peaks may approach and touch the outer circumferential surface of the top foil.
  • the inner circumferential surface of the housing and the plurality of valleys may be in contact with each other before the rotating body rotates.
  • the inner circumferential surface of the housing and the plurality of valleys are not in contact with each other before the rotating body rotates, and as the rotating body rotates, the plurality of valleys approach and touch the inner circumferential surface of the housing. Good too.
  • a fluid machine includes the rotating body, an impeller configured to compress fluid by rotating integrally with the rotating body, and an impeller in which the rotating body and the impeller are housed.
  • the impeller housing includes a housing and the foil bearing, and the impeller housing includes a shroud surface that covers the outer periphery of the impeller, and even if the top foil and the bump foil locally become plain bearings, the impeller and the foil bearing The tip clearance with the shroud surface is greater than zero.
  • a fluid machine includes the rotating body, an impeller configured to compress fluid by rotating integrally with the rotating body, and an impeller in which the rotating body and the impeller are housed.
  • the impeller housing includes a housing and the foil bearing, and the impeller housing includes a shroud surface that covers the outer periphery of the impeller, and the bumps on the peak portion in a state where no load from the rotating body acts on the bearing surface.
  • the distance in the radial direction of the rotating body between the outer peripheral surface of the foil and the inner peripheral surface of the housing is H1, and the minimum value of the gap between the impeller and the shroud surface in the radial direction is less than H1. big.
  • FIG. 15 is a perspective view showing the first foil bearing in a second state of the modification of FIG. 14;
  • the fluid machine 10 includes a rotating shaft 40 that is a rotating body, a first impeller 34, and a second impeller 35.
  • the fluid machine 10 includes a housing 11.
  • the fluid machine 10 includes a first foil bearing 20 and a second foil bearing 22.
  • the fluid machine 10 includes an electric motor 39.
  • the fluid machine 10 of the first embodiment is mounted on a vehicle.
  • the fluid machine 10 can be used, for example, as a centrifugal compressor that compresses air, which is a fluid containing oxygen, that is supplied to the fuel cell of a fuel cell vehicle, or as a centrifugal compressor that compresses refrigerant in a vehicle-mounted refrigeration circuit. can.
  • the housing 11 is made of metal. Examples of the material for the housing 11 include aluminum.
  • the housing 11 includes a motor housing member 12 , a first impeller housing member 13 , a second impeller housing member 14 , a first plate 15 , a second plate 16 , and a third plate 17 .
  • the fluid machine 10 includes the first impeller housing member 13 and the second impeller housing member 14.
  • the housing 11 includes a bearing housing member 71 (FIG. 2), which will be described later.
  • the motor housing member 12 has a cylindrical peripheral wall 12a and a flat end wall 12b located at a first end of the peripheral wall 12a.
  • the second end of the peripheral wall 12a is an open end.
  • the first plate 15 closes off the second end of the motor housing member 12 .
  • a motor chamber 51 is defined by the inner surface of the motor housing member 12 and the first plate 15 .
  • An electric motor 39 is housed within the motor chamber 51 .
  • the first plate 15 has a first bearing holding portion 18.
  • the first bearing holding portion 18 has a cylindrical shape.
  • a recess 15c is opened in an end surface 15b of the first plate 15 on the side opposite to the motor housing member 12.
  • the inside of the first bearing holding portion 18 and the inside of the recess 15c communicate with each other via an opening in the bottom surface 15d of the recess 15c.
  • the axis of the recess 15c and the axis of the first bearing holding part 18 are aligned.
  • a side surface 15e of the recess 15c connects the end surface 15b and the bottom surface 15d.
  • the end wall 12b of the motor housing member 12 has a second bearing holding portion 19.
  • the second bearing holding portion 19 has a cylindrical shape.
  • the second bearing holding portion 19 has an open end wall 12b on both end surfaces.
  • the axial center of the second bearing holder 19 coincides with the axial center of the first bearing holder 18.
  • the second plate 16 is connected to the first plate 15.
  • the second plate 16 extends along the first plate 15.
  • the second plate 16 has a first shaft insertion hole 16a in the center.
  • the first shaft insertion hole 16a passes through the second plate 16.
  • the first shaft insertion hole 16a communicates with the recess 15c.
  • the axis of the first shaft insertion hole 16a coincides with the axis of the recess 15c.
  • a thrust bearing housing chamber 52 is defined by the inner surface of the first plate 15 that defines the recess 15c and the second plate 16.
  • the first impeller housing member 13 is cylindrical and has an inlet 13a that is a circular hole through which air, which is an example of working fluid, is sucked.
  • the first impeller housing member 13 is connected to the second plate 16.
  • the axis of the suction port 13a coincides with the axis of the first shaft insertion hole 16a of the second plate 16.
  • the suction port 13a opens at an end surface of the first impeller housing member 13 on the opposite side to the second plate 16.
  • a first impeller chamber 13b, a discharge chamber 13c, and a first diffuser flow path 13d are defined between the first impeller housing member 13 and the second plate 16.
  • the first impeller chamber 13b communicates with the suction port 13a.
  • the discharge chamber 13c extends around the axis of the suction port 13a around the first impeller chamber 13b.
  • the first diffuser flow path 13d communicates the first impeller chamber 13b and the discharge chamber 13c.
  • the first impeller chamber 13b communicates with the first shaft insertion hole 16a of the second plate 16.
  • the first impeller housing member 13 includes a first shroud surface 53a.
  • the first shroud surface 53a cooperates with the second plate 16 to define a first impeller chamber 13b.
  • the first shroud surface 53a has a truncated conical shape.
  • the third plate 17 is connected to the end wall 12b of the motor housing member 12.
  • the third plate 17 has a second shaft insertion hole 17a in the center.
  • the second shaft insertion hole 17a communicates with the inside of the second bearing holding portion 19.
  • the axial center of the second shaft insertion hole 17a coincides with the axial center of the second bearing holding part 19.
  • the second impeller housing member 14 is cylindrical and has a discharge port 14a that is a circular hole through which air is sucked.
  • the second impeller housing member 14 is connected to an end surface of the third plate 17 on the opposite side to the motor housing member 12 .
  • the axial center of the discharge port 14a coincides with the axial center of the second shaft insertion hole 17a of the third plate 17.
  • the discharge port 14a opens at an end surface of the second impeller housing member 14 on the opposite side to the third plate 17.
  • a second impeller chamber 14b, a suction chamber 14c, and a second diffuser flow path 14d are defined between the second impeller housing member 14 and the third plate 17.
  • the second impeller chamber 14b communicates with the discharge port 14a.
  • the suction chamber 14c extends around the axis of the discharge port 14a around the second impeller chamber 14b.
  • the second diffuser flow path 14d communicates the second impeller chamber 14b and the suction chamber 14c.
  • the second impeller chamber 14b communicates with the second shaft insertion hole 17a.
  • the second impeller housing member 14 includes a second shroud surface 53b.
  • the second shroud surface 53b cooperates with the third plate 17 to define a second impeller chamber 14b.
  • the second shroud surface 53b has a truncated conical shape.
  • a rotating shaft 40 which is a rotating body, is housed within the housing 11.
  • the rotating shaft 40 is rotated by the electric motor 39.
  • a portion of the rotating shaft 40 is located in the first impeller chamber 13b and the second impeller chamber 14b. Thereby, the rotating shaft 40 is accommodated in the first impeller housing member 13 and the second impeller housing member 14.
  • the second impeller chambers 14b are arranged in this order along the rotating shaft 40.
  • the axis SL of the rotating shaft 40 is aligned with the central axis of each of the first bearing holding part 18, the second bearing holding part 19, the first shaft insertion hole 16a, the second shaft insertion hole 17a, the suction port 13a, and the discharge port 14a. Match.
  • the "axial direction of the rotating shaft 40" which is the direction along the axis SL of the rotating shaft 40, may be referred to as the "thrust direction”.
  • the "radial direction of the rotating shaft 40” may be referred to as the "radial direction”.
  • the axial direction of the rotating shaft 40 may be indicated by the symbol X.
  • the radial direction of the rotating shaft 40 may be indicated by the symbol Y.
  • the radial direction Y corresponds to the radial direction of the rotating body.
  • the rotating shaft 40 includes a disk-shaped support plate 33.
  • the support plate 33 protrudes from the outer peripheral surface of the rotating shaft 40.
  • the support plate 33 is press-fitted onto the outer peripheral surface of the rotating shaft 40.
  • the support plate 33 rotates integrally with the rotating shaft 40.
  • the support plate 33 is arranged in the thrust bearing housing chamber 52.
  • the support plate 33 is supported by a thrust bearing 80.
  • the thrust bearing 80 has bearing parts arranged between the first plate 15 and the support plate 33 and between the second plate 16 and the support plate 33, respectively.
  • the thrust bearing 80 rotatably supports the support plate 33 without contacting the support plate 33. Therefore, the thrust bearing 80 is an air dynamic pressure bearing that rotatably supports the rotating shaft 40 in the thrust direction.
  • the first impeller 34 is made of metal. Examples of the material for the first impeller 34 include aluminum.
  • the first impeller 34 is connected to the first end 30a of the rotating shaft 40.
  • the first impeller 34 is an impeller that rotates integrally with the rotating shaft 40.
  • the first impeller 34 is housed in the first impeller chamber 13b. That is, the first impeller 34 is housed in the first impeller housing member 13 .
  • the first impeller 34 has a truncated conical shape.
  • the diameter of the first impeller 34 gradually decreases from the first back surface 34a of the first impeller 34 toward the first end surface 34b of the first impeller 34.
  • the first back surface 34a faces the second plate 16 in the axial direction X.
  • a first shroud surface 53a extends along the outer periphery of the first impeller 34 from the first back surface 34a to the first tip surface 34b. Thereby, the first shroud surface 53a covers the outer periphery of the first impeller 34.
  • the first impeller 34 rotates integrally with the rotating shaft 40 to compress air, which is a fluid.
  • the second impeller 35 is made of metal. Examples of the material for the second impeller 35 include aluminum.
  • the second impeller 35 is connected to the second end 30b of the rotating shaft 40.
  • the second impeller 35 is an impeller that rotates integrally with the rotating shaft 40.
  • the second impeller 35 is housed in the second impeller chamber 14b. That is, the second impeller 35 is housed in the second impeller housing member 14 .
  • the second impeller 35 has a truncated conical shape.
  • the diameter of the second impeller 35 gradually decreases from the second back surface 35a of the second impeller 35 toward the second tip surface 35b of the second impeller 35.
  • the second back surface 35a faces the third plate 17 in the axial direction X.
  • a second shroud surface 53b extends along the outer periphery of the second impeller 35 from the second back surface 35a to the second tip surface 35b. Thereby, the second shroud surface 53b covers the outer periphery of the second impeller 35.
  • the second impeller 35 rotates integrally with the rotating shaft 40 to compress air, which is a fluid.
  • the first impeller 34 and the first shroud surface 53a are separated by a first tip clearance 55.
  • the first tip clearance 55 is a gap extending from the first tip surface 34b of the first impeller 34 to the first back surface 34a between the outer periphery of the first impeller 34 and the first shroud surface 53a.
  • the dimension of the first tip clearance 55 in the radial direction Y is referred to as a first clearance dimension C1.
  • the first clearance dimension C1 is the dimension of the gap between the first impeller 34 and the first shroud surface 53a in the radial direction Y.
  • the first clearance dimension C1 may be the same or different from the first tip surface 34b of the first impeller 34 to the first back surface 34a.
  • the first clearance dimension C1 may become smaller as it approaches the first back surface 34a from the first tip surface 34b.
  • the size of the first clearance dimension C1 is illustrated in an exaggerated manner compared to the actual size.
  • ⁇ Second tip clearance 56> The second impeller 35 and the second shroud surface 53b are separated by a second tip clearance 56.
  • the second tip clearance 56 is a gap extending from the second tip surface 35b of the second impeller 35 to the second back surface 35a between the outer periphery of the second impeller 35 and the second shroud surface 53b.
  • the dimension of the second tip clearance 56 in the radial direction Y is referred to as a second clearance dimension C2.
  • the second clearance dimension C2 is the dimension of the gap between the second impeller 35 and the second shroud surface 53b in the radial direction Y.
  • the second clearance dimension C2 may be the same dimension or different dimensions from the second tip surface 35b of the second impeller 35 to the second back surface 35a.
  • the second clearance dimension C2 may become smaller as the distance from the second tip surface 35b approaches the second back surface 35a.
  • the size of the second clearance dimension C2 is illustrated in an exaggerated manner compared to the actual size.
  • the second clearance dimension C2 is the same size as the first clearance dimension C1.
  • the electric motor 39 is arranged between the first impeller 34 and the second impeller 35 in the axial direction X.
  • the electric motor 39 is housed in a motor chamber 51.
  • the electric motor 39 includes a stator 42 and a rotor 41.
  • the stator 42 includes a cylindrical stator core 43 and a coil 44 wound around the stator core 43.
  • the stator core 43 is fixed to the inner surface of the peripheral wall 12a of the motor housing member 12.
  • the rotor 41 is arranged inside the stator core 43 in the motor chamber 51.
  • the rotor 41 rotates integrally with the rotating shaft 40.
  • the rotor 41 includes a rotor core 41a fixed to the rotating shaft 40, and a plurality of permanent magnets (not shown) provided on the rotor core 41a.
  • the rotor 41 rotates by supplying electric power controlled by an inverter device (not shown) to the coil 44 .
  • the rotating shaft 40 rotates integrally with the rotor 41.
  • a vehicle on which the fluid machine 10 is mounted includes a fuel cell system 1.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 99 that is an on-vehicle fuel cell, a fluid machine 10, a supply flow path LA, and a discharge flow path LB.
  • Fuel cell stack 99 includes a plurality of battery cells.
  • the supply flow path LA connects the discharge chamber 13c and the fuel cell stack 99.
  • the discharge flow path LB connects the fuel cell stack 99 and the suction chamber 14c.
  • the air passing through the fuel cell stack 99 is discharged to the discharge flow path LB as exhaust gas from the fuel cell stack 99.
  • Exhaust gas from the fuel cell stack 99 is sucked into the suction chamber 14c via the discharge flow path LB.
  • the exhaust gas from the fuel cell stack 99 sucked into the suction chamber 14c is discharged into the second impeller chamber 14b through the second diffuser flow path 14d.
  • the second impeller 35 is rotated by exhaust gas from the fuel cell stack 99 discharged into the second impeller chamber 14b.
  • the rotating shaft 40 is rotated not only by the drive of the electric motor 39 but also by the rotation of the second impeller 35 which is rotated by the exhaust gas from the fuel cell stack 99.
  • the rotation of the second impeller 35 due to exhaust gas from the fuel cell stack 99 assists the rotation of the rotating shaft 40 .
  • the exhaust gas from the fuel cell stack 99 discharged into the suction chamber 14c is discharged to the outside from the discharge port 14a.
  • the first foil bearing 20 is held by the first bearing holding section 18 .
  • the second foil bearing 22 is held by a second bearing holding section 19. Therefore, the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 are arranged within the housing 11.
  • the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 are both examples of foil bearings according to the present disclosure.
  • the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 rotatably support the rotating shaft 40.
  • the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 support the rotating shaft 40 while being in contact with the rotating shaft 40 until the rotational speed of the rotating shaft 40 reaches the floating rotational speed.
  • the floating rotational speed is the rotational speed of the rotating shaft 40 when the rotating shaft 40 floats relative to the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22.
  • dynamic pressure is generated between the rotating shaft 40 and the first foil bearing 20 and between the rotating shaft 40 and the second foil bearing 22.
  • the rotating shaft 40 floats relative to the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 due to the generated dynamic pressure.
  • the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 rotatably support the rotating shaft 40 without contacting the rotating shaft 40. Therefore, the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 rotatably support the rotating shaft 40 in the radial direction.
  • the shape of the second foil bearing 22 is the same as the shape of the first foil bearing 20. Therefore, detailed explanation of the same configuration as the first foil bearing 20 among the configurations of the second foil bearing 22 will be omitted below.
  • the first foil bearing 20 includes a bearing housing member 71, a top foil 72, and a bump foil 73. Since the housing 11 includes the bearing housing member 71, it can also be said that the first foil bearing 20 includes the housing 11.
  • the bearing housing member 71 has a cylindrical shape.
  • the axis of the bearing housing member 71 coincides with the axis SL of the rotating shaft 40. Therefore, the axial direction X is also the axial direction of the bearing housing member 71.
  • the radial direction Y is also the radial direction of the bearing housing member 71.
  • the bearing housing member 71 is formed with an insertion hole 71h through which the rotating shaft 40 is inserted.
  • the insertion hole 71h is a through hole that penetrates the bearing housing member 71 in the axial direction X.
  • the bearing housing member 71 in the first foil bearing 20 is held by the first bearing holding part 18.
  • the bearing housing member 71 in the first foil bearing 20 is separate from the first bearing holding part 18.
  • the bearing housing member 71 of the second foil bearing 22 is held by the second bearing holding part 19.
  • the bearing housing member 71 in the second foil bearing 22 is separate from the second bearing holding part 19.
  • the top foil 72 is cylindrical.
  • the top foil 72 has a substantially cylindrical shape.
  • Top foil 72 is located inside bearing housing member 71 .
  • the top foil 72 extends in the circumferential direction of the bearing housing member 71 inside the bearing housing member 71 .
  • the circumferential direction of the bearing housing member 71 may be simply referred to as the "circumferential direction.”
  • the top foil 72 has a thin plate shape.
  • the top foil 72 is formed from a flexible metal plate material such as stainless steel. More specifically, the top foil 72 is obtained by curving this metal plate material into a cylindrical shape such that the longitudinal direction is along the circumferential direction and the lateral direction is along the axial direction X.
  • top foil 72 in the circumferential direction is fixed to the bearing housing member 71 by welding or interference fit, and the other end is not fixed to the bearing housing member 71.
  • the end of the top foil 72 fixed to the bearing housing member 71 in this manner is referred to as a first fixed end 72a
  • first free end 72b is the end of the top foil 72 that is not fixed to the bearing housing member 71.
  • the first fixed end portion 72a is bent toward the outside of the top foil 72 in the radial direction Y.
  • the first free end portion 72b is spaced apart from the base end portion of the first fixed end portion 72a in the circumferential direction. Therefore, the top foil 72 is an open ring (non-annular) with a portion of the closed ring cut out.
  • Open ring refers to a generally looped shape with a gap, such as a C-shape.
  • the top foil 72 is arranged outside the rotating shaft 40 in the radial direction Y. Top foil 72 faces rotation axis 40 .
  • the top foil 72 has a bearing surface 72s.
  • the inner surface of the top foil 72 constitutes a bearing surface 72s facing the rotating shaft 40.
  • the top foil 72 rotatably supports the rotating shaft 40 in a non-contact manner when the rotating shaft 40 rotates.
  • the bump foil 73 has a generally cylindrical shape.
  • the bump foil 73 is arranged between the top foil 72 and the bearing housing member 71 in the radial direction Y.
  • the bump foil 73 has a thin plate shape.
  • the bump foil 73 is formed from a flexible metal plate material such as stainless steel. More specifically, the bump foil 73 is obtained by curving this metal plate material into a cylindrical shape such that the longitudinal direction is along the circumferential direction and the lateral direction is along the axial direction X.
  • the thickness of the bump foil 73 is indicated by h1.
  • the thickness h1 may be approximately the same as the thickness of the top foil 72.
  • One end of the bump foil 73 in the circumferential direction is fixed to the bearing housing member 71 by welding or interference fitting, and the other end is not fixed to the bearing housing member 71.
  • the end of the bump foil 73 fixed to the bearing housing member 71 in this manner is referred to as a second fixed end 73a
  • the end of the bump foil 73 that is not fixed to the bearing housing member 71 is referred to as a second free end 73b.
  • the second fixed end portion 73a is bent toward the outside of the bump foil 73 in the radial direction Y.
  • the second free end portion 73b is spaced apart from the base end portion of the second fixed end portion 73a in the circumferential direction. Therefore, the bump foil 73 is an open ring with a portion of the closed ring cut out. Bump foil 73 elastically supports top foil 72.
  • the bump foil 73 includes a plurality of peaks 81 and a plurality of troughs 82.
  • the plurality of peaks 81 contact the outer peripheral surface 72f of the top foil 72.
  • the plurality of troughs 82 contact the inner circumferential surface 71g of the bearing housing member 71.
  • the peak portions 81 and the valley portions 82 are alternately arranged along the rotation direction D of the rotation shaft 40.
  • the trough portion 82 protrudes in a direction away from the outer circumferential surface 72f of the top foil 72 and is curved in an arc so as to bulge toward the inner circumferential surface 71g of the bearing housing member 71.
  • Each peak portion 81 protrudes from the end portion 82c of the adjacent valley portion 82 toward the outer circumferential surface 72f of the top foil 72 in the rotation direction D of the rotation shaft 40, and also bulges toward the top foil 72. curved in an arc.
  • the end portion 82c of the valley portion 82 is a boundary portion between the peak portion 81 and the valley portion 82 in the bump foil 73.
  • the bump foil 73 elastically supports the top foil 72 by having a plurality of peaks 81 and a plurality of troughs 82 extending in the rotation direction D of the rotation shaft 40 .
  • the bump foil 73 includes a plurality of divided bodies 73c divided in the rotation direction D of the rotating shaft 40.
  • the bump foil 73 includes three divided bodies 73c. All the divided bodies 73c included in the bump foil 73 are hereinafter also referred to as a plurality of divided bodies 73c.
  • the dimensions of the plurality of divided bodies 73c in the rotation direction D of the rotating shaft 40 may be substantially the same, or may be partially or entirely different.
  • the plurality of divided bodies 73c may have the same number of peaks 81, or some or all of them may have different numbers of peaks 81.
  • the plurality of divided bodies 73c may have the same number of valleys 82, or some or all of them may have different numbers of valleys 82.
  • Each divided body 73c has a fixed end 73d fixed to the bearing housing member 71 and a free end 73e not fixed to the bearing housing member 71 in the rotation direction D of the rotating shaft 40.
  • the fixed end 73d of one divided body 73c is the second fixed end 73a
  • the free end 73e of the other divided body 73c is the second free end 73b.
  • an end in the rotation direction D of the rotating shaft 40 is a fixed end 73d.
  • the end opposite to the fixed end 73d is a free end 73e.
  • the fixed end 73d of one divided body 73c and the free end 73e of the other divided body 73c are adjacent to each other.
  • a fixed end 73d and a free end 73e extend in the axial direction X between one end and the other end of the divided body 73c in the axial direction X.
  • each divided body 73c is arranged so that a gap 83 is formed between the adjacent fixed end 73d and free end 73e regardless of the extension.
  • ⁇ No load state SN> Next, the first foil bearing 20 in a state where no load is applied to the bearing surface 72s from the rotating shaft 40 will be described with reference to FIG. 3.
  • the state in which no load is applied from the rotating shaft 40 to the bearing surface 72s refers to a state in which the rotating shaft 40 is not rotating and the bearing surface 72s is in contact with the rotating shaft 40 over the entire circumference.
  • the state in which no load is applied from the rotating shaft 40 to the bearing surface 72s will hereinafter be referred to as a no-load state SN.
  • each of the peaks 81 of the bump foil 73 locally contacts the outer circumferential surface 72f of the top foil 72.
  • the tip portion of the peak portion 81 in the direction of protrusion toward the top foil 72 contacts the outer circumferential surface 72f of the top foil 72.
  • each of the valleys 82 of the bump foil 73 locally contacts the inner circumferential surface 71g of the bearing housing 71.
  • the tip portion of the valley portion 82 in the direction of protrusion toward the bearing housing member 71 contacts the inner peripheral surface 71g of the bearing housing member 71.
  • the distance in the radial direction Y between the outer circumferential surface 73f of the bump foil 73 and the inner circumferential surface 71g of the bearing housing member 71 at the peak portion 81 is defined as a first distance H1.
  • the first distance H1 is smaller than the first clearance dimension C1, which is the dimension of the first tip clearance 55 in the radial direction Y, and the second clearance dimension C2, which is the dimension of the second tip clearance 56 in the radial direction Y. That is, the minimum value of the first clearance dimension C1, which is the dimension of the gap between the first impeller 34 and the first shroud surface 53a in the radial direction Y, is larger than the first distance H1.
  • the distance between the adjacent peaks 81 and troughs 82 in the rotation direction D of the rotating shaft 40 is the second distance L1.
  • the second distance L1 is the distance in the rotation direction D between the tip of the peak 81 in the protruding direction and the tip of the valley 82 in the protrusion direction, of the peaks 81 and troughs 82 that are adjacent to each other in the rotation direction D.
  • the thickness h1 of the bump foil 73, the first distance H1, and the second distance L1 have a relationship of L1 2 /600h1>H1.
  • the no-load state SN is different from a state in which the rotating shaft 40 is simply not rotating.
  • the rotating shaft 40 contacts a portion or the entire bearing surface 72s of the top foil 72 in the rotation direction D of the rotating shaft 40.
  • a load is applied from the rotating shaft 40 to the bearing surface 72s in the portion of the top foil 72 that is in contact with the rotating shaft 40.
  • first state S1 Next, the first state S1 will be explained with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the rotating shaft 40 In the first state S1, the rotating shaft 40 is floating above the bearing surface 72s. This state of the first foil bearing 20 is referred to as a first state S1.
  • the load that the bearing surface 72s receives from the rotating shaft 40 is equal to or less than the threshold value P.
  • the top foil 72 is elastically deformed outward in the radial direction Y as the rotating shaft 40 rotates. As a result, an air film is formed between the rotating shaft 40 and the top foil 72, thereby generating dynamic pressure.
  • the first foil bearing 20 rotatably supports the rotating shaft 40 in a state where the rotating shaft 40 is not in contact with the top foil 72 .
  • the peak portion 81 of the bump foil 73 that is in contact with the outer peripheral surface 72f of the top foil 72 is pressed by the top foil 72.
  • the bump foil 73 is elastically deformed outward in the radial direction Y together with the top foil 72.
  • the top foil 72 is thus elastically supported by the bump foil 73.
  • the peaks 81 and troughs 82 are elastically deformed.
  • a load is applied evenly from the rotating shaft 40 to the entire bearing surface 72s via the air film. Therefore, all the peaks 81 and troughs 82 are uniformly elastically deformed.
  • each of the peaks 81 of the bump foil 73 locally contacts the outer peripheral surface 72f of the top foil 72. Due to the elastic deformation of the peak portion 81, a wider area of the peak portion 81 in the circumferential direction contacts the top foil 72 in the first state S1 compared to the no-load state SN.
  • each of the valleys 82 of the bump foil 73 locally contacts the inner surface of the bearing housing member 71. Due to the elastic deformation of the trough portion 82, a wider area of the trough portion 82 in the circumferential direction contacts the bearing housing member 71 in the first state S1 than in the no-load state SN.
  • the peak portion 81 has a gap G1 between it and the bearing housing member 71.
  • the valley portion 82 has a gap G2 between it and the top foil 72.
  • the bump foil 73 supports the top foil 72 with such gaps G1 and G2.
  • the dimension of the gap 83 along the circumferential direction is the gap dimension A.
  • the first state S1 there is a gap 83 between the adjacent fixed end 73d and free end 73e.
  • the two adjacent divided bodies 73c are separated from each other in the rotation direction D of the rotation shaft 40.
  • the peaks 81 and troughs 82 elastically deform, the divided body 73c deforms so that the adjacent fixed end 73d and free end 73e approach each other. Therefore, the gap dimension A in the first state S1 is smaller than in the no-load state SN.
  • the second state S2 will be explained with reference to FIGS. 6 and 7.
  • the rotating shaft 40 is closer to a part of the bearing surface 72s in the circumferential direction than in the first state S1.
  • This state of the first foil bearing 20 is referred to as a second state S2.
  • the cause of the rotating shaft 40 coming closer to the bearing surface 72s than in the first state S1 is eccentricity of the rotating shaft 40, for example, a case where the rotating shaft 40 shifts in the radial direction Y. Further, the diameter of the rotating shaft 40 may increase due to thermal expansion of the rotating shaft 40.
  • the load that the bearing surface 72s receives from the rotating shaft 40 exceeds the threshold P.
  • a portion of the top foil 72 in the circumferential direction is the first displacement portion 72p.
  • a portion of the bump foil 73 located on the outer side in the radial direction Y than the first displacement portion 72p is the second displacement portion 73p.
  • the first displacement portion 72p in the second state S2 corresponds to a portion where the rotating shaft 40 is closer to the bearing surface 72s than in the first state S1.
  • the entirety of one divided body 73c is illustrated as the second displacement portion 73p.
  • a portion of the top foil 72 located on the inner side in the radial direction Y than one divided body 73c, which is the second displacement portion 73p, is illustrated as the first displacement portion 72p.
  • the second state S2 can also be said to be the state of the first foil bearing 20 when the first displacement portion 72p is displaced outward in the radial direction Y from the position in the first state S1.
  • the plurality of divided bodies 73c deform so that the adjacent fixed ends 73d and free ends 73e approach each other. Therefore, the divided body 73c including the second displacement portion 73p in the second state S2 is displaced more in the rotation direction D of the rotating shaft 40 than in the first state S1.
  • the divided body 73c including the second displacement portion 73p and the divided body 73c adjacent to this divided body 73c in the rotation direction D of the rotating shaft 40 do not overlap. That is, the gap dimension A in the first state S1 is set to be equal to or larger than the amount of displacement in the rotational direction D of the rotating shaft 40 of the divided body 73c including the second displacement portion 73p in the second state S2.
  • the peak portion 81 abuts not only the outer circumferential surface 72f of the top foil 72 but also the inner circumferential surface 71g of the bearing housing member 71.
  • the valley portion 82 abuts not only the inner peripheral surface 71g of the bearing housing member 71 but also the outer peripheral surface 72f of the top foil 72.
  • the bump foil 73 supports the top foil 72 by the contact between the peaks 81 and the valleys 82 .
  • the second displacement portion 73p which is a part of the bump foil 73, extends along the outer peripheral surface 72f of the top foil 72 and the inner peripheral surface 71g of the bearing housing member 71.
  • the top foil 72 and the bump foil 73 locally serve as a plain bearing 85 to support the rotating shaft 40.
  • the top foil 72 and bump foil 73 locally serve as a plain bearing 85, the first tip clearance 55 between the first impeller 34 and the first shroud surface 53a is larger than zero. Even when the top foil 72 and the bump foil 73 locally form a plain bearing 85, the second tip clearance 56 between the second impeller 35 and the second shroud surface 53b is larger than zero.
  • the first model 100 is obtained by extracting one pitch of the bump foil 73.
  • the first model 100 has a first convex portion 102 curved in an arc shape so as to bulge from both ends. Both ends of the first model 100 correspond to the troughs 82.
  • the first convex portion 102 corresponds to the peak portion 81.
  • the second model 200 is a model in which one pitch of the bump foil 73 is modeled into a beam fixed at both ends.
  • the second model 200 which is a beam model, is a flat plate extending between one end and the other end.
  • the bump pitch is "2L1” and the bump plate thickness is "h”.
  • the applied load is “F”
  • the bearing width is “b”
  • the stress is “ ⁇ ”
  • the amount of deformation is “ ⁇ ”
  • the Young's modulus is "E.”
  • the bearing width b is the length of the bump foil 73 in the axial direction X. Note that the bump pitch "2L1” corresponds to the number obtained by multiplying the second distance L1 by 2.
  • the bump plate thickness "h” corresponds to the thickness h1.
  • the typical bump foil 73 is made of alloy steel or stainless steel, it generally has a Young's modulus E of about 200 [GPa] and a yield strength ⁇ max of about 1000 [MPa]. By substituting these values into (Equation 3), the following (Equation 4) can be derived.
  • the deformation amount ⁇ is equal to or less than “L1 2 /600h” and the deformation amount ⁇ is in the elastic region, and the deformation amount ⁇ larger than that is the plastic region. That is, "L1 2 /600h” is the maximum displacement amount in the elastic region.
  • the first distance H1 which is the height of the bump foil 73, to a value that satisfies "L1 2 /600h>H1"
  • the bump foil 73 can be used in an elastic range.
  • the values of the first distance H1, the second distance L1, and the thickness h1 of the bump foil 73 are set in advance so as to satisfy the relationship "L1 2 /600h1>H1".
  • the bump foil 73 can be elastically deformed while the displacement amount of the bump foil 73 in the radial direction Y is equal to or less than the first distance H1. Since the bump foil 73 after deformation is not plastically deformed, it can return to the shape of the bump foil 73 in the no-load state SN or the first state S1. Therefore, the bump foil 73 has reversibility.
  • the peaks 81 and the troughs 82 exceed the material's proof stress limit after the threshold P is exceeded, that is, after the support mode of the top foil 72 by the first foil bearing 20 shifts from the first state S1 to the second state S2. It is set to not. If the load that the bearing surface 72s receives from the rotating shaft 40 exceeds the threshold P and then returns to below the threshold P, the manner in which the top foil 72 is supported by the first foil bearing 20 shifts from the second state S2 to the first state S1. It turns out.
  • the bump foil 73 moves its peak portion 81 away from the inner circumferential surface 71g of the bearing housing member 71 due to its own elastic force, and the trough portion 82 moves away from the top foil 72. spaced apart from the outer circumferential surface 72f.
  • the top foil 72 may enter the second state S2 in which it is displaced outward in the radial direction Y from the first state S1.
  • each peak portion 81 of the bump foil 73 that is in contact with the outer peripheral surface 72f of the top foil 72 may be excessively pressed by the top foil 72.
  • the second displacement portion 73p in the second state S2 has a larger contact range with the top foil 72 and the bearing housing member 71 in the rotation direction D of the rotating shaft 40 than in the first state S1.
  • the second displacement portion 73p in the second state S2 extends along the outer peripheral surface 72f of the top foil 72 and the inner peripheral surface 71g of the bearing housing member 71.
  • the top foil 72 and the bump foil 73 mutually extend in the rotation direction D of the rotation shaft 40, forming a plain bearing shape. Therefore, the first foil bearing 20 in the second state S2 can support the rotating shaft 40 by dynamic pressure because the top foil 72 and the bump foil 73 locally become the plain bearing 85.
  • the bump foil 73 has the peak portion 81 also in contact with the inner circumferential surface 71g of the bearing housing member 71, and the valley portion 82 at the top.
  • the top foil 72 is supported by also coming into contact with the outer peripheral surface 72f of the foil 72.
  • the top foil 72 and the bump foil 73 locally become a plain bearing 85, so that the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 rotate.
  • the shaft 40 can be supported by dynamic pressure. Therefore, even under a situation where an excessive load acts on the top foil 72, it is possible to suppress the bearing performance of the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 from deteriorating.
  • Each divided body 73c has a fixed end 73d fixed to the bearing housing member 71 and a free end 73e not fixed to the bearing housing member 71 in the rotation direction D of the rotating shaft 40. .
  • Each divided body 73c is arranged so that there is a gap 83 between the adjacent fixed end 73d and free end 73e regardless of the extension. Therefore, even if the bump foil 73 extends in the rotation direction D of the rotation shaft 40, the adjacent divided bodies 73c do not overlap with each other. Therefore, the displacement of the bump foil 73 in the rotational direction D of the rotating shaft 40 is not hindered, so that the top foil 72 can be suitably elastically supported by the bump foil 73.
  • the peaks 81 and the valleys 82 are formed so that the proof stress limit of the material is not exceeded after the threshold P is exceeded. Therefore, even after the load that the bearing surface 72s receives from the rotating shaft 40 exceeds the threshold P, deformation of the bump foil 73 that would deteriorate the bearing performance of the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 can be suppressed.
  • the maximum displacement amount of the bump foil 73 in the radial direction Y is the displacement amount when the bump foil 73 is along the inner peripheral surface 71g of the bearing housing member 71, and is the first distance H1.
  • the bump foil 73 can be elastically deformed. Since the bump foil 73 after deformation is not plastically deformed, it can return to the shape of the bump foil 73 when the load that the bearing surface 72s receives from the rotating shaft 40 is equal to or less than the threshold value P. Therefore, since the reversible bump foil 73 can be employed, deterioration in the bearing performance of the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 can be further suppressed.
  • the resonance frequency of the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 will increase.
  • the excitation force (unbalanced force of the rotating shaft 40) increases in proportion to the square of the rotational speed. Therefore, the rotating shaft 40 passes through the resonance points of the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 at a high rotation speed with a large excitation force, and vibration of the rotating shaft 40 occurs.
  • deformation of the bump foil 73 that would degrade the bearing performance of the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 can be suppressed without increasing the rigidity of the bump foil 73. Therefore, the occurrence of problems that occur when increasing the rigidity of the bump foil 73 as described above can be suppressed.
  • each divided body 73c is arranged such that a gap 83 is formed between the adjacent fixed end 73d and free end 73e regardless of the extension.
  • the gap 83 is formed even when the top foil 72 is supported by the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 in any of the no-load state SN, the first state S1, and the second state S2. be done.
  • each divided body 73c extends in the axial direction X between one end and the other end of the divided body 73c in the axial direction X, similarly to the first embodiment.
  • the free end 73e has a shape that is shifted from both ends of the divided body 73c in the axial direction X toward the rotational direction D of the rotating shaft 40 as it approaches the intermediate portion. Due to the shapes of the fixed end 73d and the free end 73e, the gap 83 forms a herringbone-shaped groove 86.
  • the bump foil 73 when transitioning from the no-load state SN to the first state S1, the bump foil 73 deforms similarly to the first embodiment.
  • the second distance L1, the thickness h1, and the first distance H1 are L1 2 /600h1> The relationship is H1.
  • the second displacement portion 73p in the second state S2 extends along the outer peripheral surface 72f of the top foil 72 and the inner peripheral surface 71g of the bearing housing member 71. .
  • the top foil 72 and the bump foil 73 locally become a plain bearing 85, so that the rotating shaft 40 can be supported by dynamic pressure.
  • a herringbone-shaped groove 86 is formed by the gap 83 of the bump foil 73.
  • the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 support the rotating shaft 40 by locally becoming a herringbone bearing 87.
  • the second displacement portion 73p in the second state S2 extends along the outer peripheral surface 72f of the top foil 72 and the inner peripheral surface 71g of the bearing housing member 71.
  • the first foil bearing 20 in the second state S2 can support the rotating shaft 40 by dynamic pressure because the top foil 72 and the bump foil 73 locally become a plain bearing 85.
  • a load acts on the first displacement portion 72p in the second state S2 from the rotating shaft 40 via the air film.
  • a portion of the top foil 72 located inside the gap 83 in the radial direction Y is curved so as to be pressed toward the gap 83.
  • the first foil bearing 20 becomes a herringbone bearing in the first displacement portion 72p. This also allows the first foil bearing 20 in the second state S2 to support the rotating shaft 40 by dynamic pressure.
  • the gap 83 is a herringbone-shaped groove 86.
  • the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 support the rotating shaft 40 by locally becoming a herringbone bearing 87. Therefore, when the load that the bearing surface 72s receives from the rotating shaft 40 exceeds the threshold P, the portion of the top foil 72 located inside the gap 83 between the adjacent fixed end 73d and free end 73e in the radial direction Y It curves so as to be pressed toward 83. Thereby, the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22 can support the rotating shaft 40 by locally becoming a herringbone bearing 87. Therefore, it is possible to further suppress deterioration in the bearing performance of the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22.
  • the fixed end 73d is shifted in the rotational direction D of the rotating shaft 40 as it approaches the middle part from both ends of the divided body 73c in the axial direction X. It may also have a different shape. That is, the fixed end 73d may have a shape along the free end 73e.
  • the minimum value of the first clearance dimension C1 and the minimum value of the second clearance dimension C2 may be the same as the first distance H1, or may be smaller than the first distance H1. If the top foil 72 and bump foil 73 locally form a plain bearing 85, the first tip clearance 55 and the second tip clearance 56 may be zero.
  • the proof stress limit of the material may be exceeded.
  • the second distance L1, the thickness h1, and the first distance H1 do not need to satisfy "L1 2 /600h1>H1".
  • the bump foil 73 does not need to be deformed due to the elastic force of the bump foil 73.
  • the peak portion 81 remains in contact with the inner circumferential surface 71g of the bearing housing member 71 even when the second state S2 shifts to the first state S1.
  • the valley portion 82 remains in contact with the outer circumferential surface 72f of the top foil 72 even when transitioning from the second state S2 to the first state S1.
  • the gap 83 between the adjacent fixed end 73d and free end 73e may disappear due to expansion.
  • the fixed end 73d and the free end 73e of the two adjacent divided bodies 73c may be in contact with each other.
  • the bump foil 73 may be comprised of a single member that is continuous over the entire circumference.
  • the bearing housing member 71 may be omitted from the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22. In this case, for example, by integrating the bearing housing member 71 into the first bearing holding part 18 and the second bearing holding part 19, the bearing housing member 71 can be omitted from the first foil bearing 20 and the second foil bearing 22. Good too. Bump foil 73 and top foil 72 may be fixed to housing 11 by welding or interference fitting.
  • the fluid machine 10 does not need to include the second impeller 35, for example.
  • the fluid compressed by the first impeller 34 and the second impeller 35 is not limited to air.
  • the fluid may be, for example, a refrigerant or a fluorocarbon atmosphere in which a gas state and a liquid state are mixed. Therefore, the fluid to be compressed by the fluid machine 10 is arbitrary.
  • the fluid machine 10 may be used in an air conditioner.
  • the fluid machine 10 in this case may compress refrigerant.
  • the fluid machine 10 may be mounted on any vehicle, without being limited to a vehicle.
  • D...Rotation direction G1, G2...Gap, h1...Thickness, P...Threshold value, Y...Radial direction, 10...Fluid machine, 11...Housing, 40...Rotating shaft, 71...Bearing housing member, 71g...Inner peripheral surface, 71h...Insertion hole, 72...Top foil, 72f...Outer peripheral surface (of top foil), 72s...Bearing surface, 73...Bump foil, 73c...Divided body, 73d...Fixed end, 73e...Free end, 73f...Bump foil Outer peripheral surface, 81...crest, 82...trough, 83...gap, 85...plain bearing, 86...groove, 87...herringbone bearing.

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Abstract

ハウジングと、回転体に対向する軸受面を有するトップフォイルと、前記トップフォイルと前記ハウジングとの間に配置されるバンプフォイルとを備える。バンプフォイルは回転方向に伸長することで前記トップフォイルを弾性的に支持するように構成される。前記軸受面が前記回転体から受ける荷重が閾値以下の場合、前記バンプフォイルは前記ハウジングとの間に隙間を有し、前記トップフォイルとの間に隙間を有して前記トップフォイルを支持する。前記軸受面が前記回転体から受ける荷重が前記閾値を超える場合、前記トップフォイルと前記バンプフォイルとが局所的にプレーン軸受となって前記回転体を支持する。

Description

フォイル軸受及び流体機械
　本開示は、フォイル軸受及び流体機械に関する。
　典型的なフォイル軸受は、回転体を回転可能に支持する。フォイル軸受は、トップフォイル、バンプフォイル、及びハウジングを備えている。ハウジングは、回転体が挿通される挿通孔を有する。トップフォイルは、回転体に対向する軸受面を有する。バンプフォイルは、トップフォイルとハウジングとの間に配置されている。バンプフォイルは、トップフォイルの外周面に接触する複数の山部と、ハウジングの内周面に接触する複数の谷部と、を備える。山部と谷部とは、回転体の回転方向に沿って交互に配置されている。
　回転体の回転数が浮上回転数に達すると、回転体と軸受面の間に生じる空気膜の動圧によって、回転体がフォイル軸受に対して浮上する。これにより、フォイル軸受は、回転体と接触せずに回転体を支持する。
　回転体に過度な荷重が掛かると、軸受面に回転体が過度に近づくことにより、トップフォイルに過度な荷重が作用するおそれがある。このとき、過度な荷重を受けたトップフォイルの部分がハウジングに近づくように変位するため、トップフォイルによってバンプフォイルの複数の山部が押される。すると、バンプフォイルは、複数の山部がハウジングに近づくように変形する。こうしたバンプフォイルの変形によりバンプフォイルが破損するとフォイル軸受による軸受性能が低下するおそれがある。フォイル軸受を搭載した流体機械において、上記のフォイル軸受による軸受性能の低下が生じると、流体機械の信頼性が低下する。そのため、そうしたバンプフォイルの破損を抑制する必要がある。
　特許文献１は、バンプフォイルとは別に、ハウジングの内面からトップフォイルに向かって突出する凸部を備えたフォイル軸受を開示している。このフォイル軸受に対して上記のような過度な荷重が作用すると、荷重を受けたトップフォイルの部分が凸部に当接する。これにより、バンプフォイルがトップフォイルから過剰な押圧を受けにくくなるため、バンプフォイルの破損を抑制できる。
米国特許出願公開第２０２１／００１０５３１号明細書
　特許文献１に記載のフォイル軸受のトップフォイルが凸部に押し付けられると、凸部に当接したトップフォイルの部分が凸部の形状に沿うように変形するおそれがある。こうしたトップフォイルの変形が生じると、フォイル軸受の軸受性能が低下するおそれがある。
　本開示の一態様に係るフォイル軸受は、回転体が挿通される挿通孔を有するハウジングと、前記回転体に対向する軸受面を有する筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルと前記ハウジングとの間に配置される薄板状のバンプフォイルであって、前記トップフォイルの外周面に接触する複数の山部と前記ハウジングの内周面に接触する複数の谷部とを有し、前記山部と前記谷部とが前記回転体の回転方向に沿って交互に配置され、前記複数の山部及び前記複数の谷部が前記回転方向に伸長することで前記トップフォイルを弾性的に支持する薄板状のバンプフォイルと、を備え、前記軸受面が前記回転体から受ける荷重が閾値以下の場合、前記バンプフォイルは、前記複数の山部が前記ハウジングとの間に隙間を有し、前記複数の谷部が前記トップフォイルとの間に隙間を有して前記トップフォイルを支持するように構成され、前記軸受面が前記回転体から受ける荷重が前記閾値を超える場合、前記バンプフォイルは、前記複数の山部が前記ハウジングの内周面にも当接し、前記複数の谷部が前記トップフォイルの外周面にも当接して前記トップフォイルを支持し、前記トップフォイルと前記バンプフォイルとが局所的にプレーン軸受となって前記回転体を支持するように構成される。
　本開示において、「接触」とは、静的に接触していることを含む他、動的に触れることを含む。例えば、回転体の回転前の状態において、トップフォイルの外周面と複数の山部とが接触していてもよい。あるいは、回転体の回転前の状態においてトップフォイルの外周面と複数の山部とが接触しておらず、回転体の回転に伴って複数の山部がトップフォイルの外周面に近づいて触れてもよい。同様に、回転体の回転前の状態において、ハウジングの内周面と複数の谷部とが接触していてもよい。また、回転体の回転前の状態においてハウジングの内周面と複数の谷部とが接触しておらず、回転体の回転に伴って複数の谷部がハウジングの内周面に近づいて触れてもよい。
　本開示の一態様に係る流体機械は、前記回転体と、前記回転体と一体的に回転することによって流体を圧縮するように構成されるインペラと、前記回転体及び前記インペラが収容されたインペラハウジングと、上記フォイル軸受と、を備え、前記インペラハウジングは、前記インペラの外周を覆うシュラウド面を備え、前記トップフォイルと前記バンプフォイルとが局所的にプレーン軸受となる場合でも、前記インペラと前記シュラウド面との間のチップクリアランスは、０よりも大きい。
　本開示の一態様に係る流体機械は、前記回転体と、前記回転体と一体的に回転することによって流体を圧縮するように構成されるインペラと、前記回転体及び前記インペラが収容されたインペラハウジングと、上記フォイル軸受と、を備え、前記インペラハウジングは、前記インペラの外周を覆うシュラウド面を備え、前記軸受面に前記回転体からの荷重が作用しない状態での、前記山部における前記バンプフォイルの外周面と前記ハウジングの内周面との間の前記回転体の径方向における距離がＨ１であり、前記径方向における前記インペラと前記シュラウド面との間の隙間の最小値がＨ１よりも大きい。
流体機械を示す断面図である。 第１実施形態における第１フォイル軸受を示す分解斜視図である。 第１実施形態における第１フォイル軸受及び回転軸を示す断面図である。 第１実施形態の第１状態にあるときの第１フォイル軸受を示す断面図である。 第１実施形態の第１状態にあるときの第１フォイル軸受を示す斜視図である。 第１実施形態の第２状態にあるときの第１フォイル軸受を示す断面図である。 第１実施形態の第２状態にあるときの第１フォイル軸受を示す斜視図である。 １ピッチ分のバンプフォイルを示す模式図である。 梁モデルを示す模式図である。 第２実施形態の第１状態にあるときの第１フォイル軸受を示す断面図である。 第２実施形態の第２状態にあるときの第１フォイル軸受を示す断面図である。 第２実施形態の第１状態にあるときの第１フォイル軸受を示す斜視図である。 第２実施形態の第２状態にあるときの第１フォイル軸受を示す斜視図である。 変更例の第１状態にあるときの第１フォイル軸受を示す斜視図である。 図１４の変更例の第２状態にあるときの第１フォイル軸受を示す斜視図である。
　（第１実施形態）
　以下、フォイル軸受及び流体機械を具体化した第１実施形態を図１～図９にしたがって説明する。以下では、説明の都合上、流体機械についての説明をした後にフォイル軸受の説明をする。
　＜流体機械１０の基本構成＞
　図１に示すように、流体機械１０は、回転体である回転軸４０と、第１インペラ３４と、第２インペラ３５と、を備えている。流体機械１０は、ハウジング１１を備える。流体機械１０は、第１フォイル軸受２０と、第２フォイル軸受２２と、を備えている。流体機械１０は電動モータ３９を備えている。第１実施形態の流体機械１０は、車両に搭載されている。流体機械１０は、例えば、燃料電池車の燃料電池に供給される酸素を含む流体である空気を圧縮する遠心圧縮機、又は、車載の冷凍回路の冷媒を圧縮する遠心圧縮機として使用することができる。
　ハウジング１１は、金属製である。ハウジング１１の材料としては、例えば、アルミニウムが挙げられる。ハウジング１１は、モータハウジング部材１２、第１インペラハウジング部材１３、第２インペラハウジング部材１４、第１プレート１５、第２プレート１６、及び第３プレート１７を有している。言い換えると、流体機械１０は、第１インペラハウジング部材１３と、第２インペラハウジング部材１４と、を備える。ハウジング１１は、後述する軸受ハウジング部材７１（図２）を備えている。
　モータハウジング部材１２は、筒状の周壁１２ａと、周壁１２ａの第１端部に位置する平板状の端壁１２ｂと、を有する。周壁１２ａの第２端部は開口端である。第１プレート１５は、モータハウジング部材１２の第２端部を閉塞している。モータハウジング部材１２の内面と第１プレート１５とによって、モータ室５１が区画されている。モータ室５１内には、電動モータ３９が収容されている。
　第１プレート１５は、第１軸受保持部１８を有している。第１軸受保持部１８は、円筒状である。第１プレート１５におけるモータハウジング部材１２とは反対側の端面１５ｂには、凹部１５ｃが開口している。第１軸受保持部１８の内側と凹部１５ｃの内部とは、凹部１５ｃの底面１５ｄの開口を介して連通している。凹部１５ｃの軸心と第１軸受保持部１８の軸心とは一致している。凹部１５ｃの側面１５ｅは、端面１５ｂと底面１５ｄとを接続している。
　モータハウジング部材１２の端壁１２ｂは、第２軸受保持部１９を有している。第２軸受保持部１９は、円筒状である。第２軸受保持部１９は、端壁１２ｂを両端面において開口している。第２軸受保持部１９の軸心は、第１軸受保持部１８の軸心と一致している。
　第２プレート１６は、第１プレート１５に連結されている。第２プレート１６は第１プレート１５に沿って延びている。第２プレート１６は、中央部に第１シャフト挿通孔１６ａを有する。第１シャフト挿通孔１６ａは、第２プレート１６を貫通している。第１シャフト挿通孔１６ａは、凹部１５ｃに連通している。第１シャフト挿通孔１６ａの軸心は、凹部１５ｃの軸心と一致している。第１プレート１５における凹部１５ｃを区画する内面と、第２プレート１６と、によってスラスト軸受収容室５２が区画されている。
　第１インペラハウジング部材１３は筒状であり、作動流体の一例である空気が吸入される円孔である吸入口１３ａを有する。第１インペラハウジング部材１３は、第２プレート１６に連結されている。吸入口１３ａの軸心は、第２プレート１６の第１シャフト挿通孔１６ａの軸心と一致している。吸入口１３ａは、第１インペラハウジング部材１３における第２プレート１６とは反対側の端面に開口している。第１インペラハウジング部材１３と第２プレート１６との間には、第１インペラ室１３ｂと、吐出室１３ｃと、第１ディフューザ流路１３ｄと、が画定されている。
　第１インペラ室１３ｂは、吸入口１３ａに連通している。吐出室１３ｃは、第１インペラ室１３ｂの周囲で吸入口１３ａの軸心周りに延びている。第１ディフューザ流路１３ｄは、第１インペラ室１３ｂと吐出室１３ｃとを連通している。第１インペラ室１３ｂは、第２プレート１６の第１シャフト挿通孔１６ａに連通している。
　第１インペラハウジング部材１３は、第１シュラウド面５３ａを備えている。第１シュラウド面５３ａは、第２プレート１６と協働して第１インペラ室１３ｂを区画している。第１シュラウド面５３ａは円錐台形状である。
　第３プレート１７は、モータハウジング部材１２の端壁１２ｂに連結されている。第３プレート１７は、中央部に第２シャフト挿通孔１７ａを有する。第２シャフト挿通孔１７ａは、第２軸受保持部１９の内側に連通している。第２シャフト挿通孔１７ａの軸心は、第２軸受保持部１９の軸心と一致している。
　第２インペラハウジング部材１４は筒状であり、空気が吸入される円孔である吐出口１４ａを有する。第２インペラハウジング部材１４は、第３プレート１７におけるモータハウジング部材１２とは反対側の端面に連結されている。吐出口１４ａの軸心は、第３プレート１７の第２シャフト挿通孔１７ａの軸心と一致している。吐出口１４ａは、第２インペラハウジング部材１４における第３プレート１７とは反対側の端面に開口している。第２インペラハウジング部材１４と第３プレート１７との間には、第２インペラ室１４ｂと、吸入室１４ｃと、第２ディフューザ流路１４ｄと、が画定されている。
　第２インペラ室１４ｂは、吐出口１４ａに連通している。吸入室１４ｃは、第２インペラ室１４ｂの周囲で吐出口１４ａの軸心周りに延びている。第２ディフューザ流路１４ｄは、第２インペラ室１４ｂと吸入室１４ｃとを連通している。第２インペラ室１４ｂは、第２シャフト挿通孔１７ａに連通している。
　第２インペラハウジング部材１４は、第２シュラウド面５３ｂを備えている。第２シュラウド面５３ｂは、第３プレート１７と協働して第２インペラ室１４ｂを区画している。第２シュラウド面５３ｂは円錐台形状である。
　＜回転軸４０＞
　回転体である回転軸４０は、ハウジング１１内に収容されている。回転軸４０は、電動モータ３９によって回転される。回転軸４０の一部は、第１インペラ室１３ｂ及び第２インペラ室１４ｂに位置する。これにより、回転軸４０は、第１インペラハウジング部材１３及び第２インペラハウジング部材１４に収容されている。
　第１インペラ室１３ｂ、第１シャフト挿通孔１６ａ、第１プレート１５の凹部１５ｃ、第１軸受保持部１８の内側、モータ室５１、第２軸受保持部１９の内側、第２シャフト挿通孔１７ａ、及び第２インペラ室１４ｂは、回転軸４０に沿って、この順で並んでいる。回転軸４０の軸線ＳＬは、第１軸受保持部１８、第２軸受保持部１９、第１シャフト挿通孔１６ａ、第２シャフト挿通孔１７ａ、吸入口１３ａ、及び吐出口１４ａのそれぞれの中心軸線に一致している。
　以下の説明では、回転軸４０の軸線ＳＬに沿う方向である「回転軸４０の軸線方向」を「スラスト方向」と記載することもある。また、「回転軸４０の径方向」を「ラジアル方向」と記載することもある。回転軸４０の軸線方向を、符号Ｘで示すことがある。回転軸４０の径方向を、符号Ｙで示すことがある。径方向Ｙは、回転体の径方向に相当する。
　回転軸４０は、円板状の支持プレート３３を備えている。支持プレート３３は、回転軸４０の外周面から突出している。支持プレート３３は、回転軸４０の外周面に圧入されている。支持プレート３３は、回転軸４０と一体的に回転する。支持プレート３３は、スラスト軸受収容室５２に配置されている。
　支持プレート３３は、スラスト軸受８０によって支持されている。スラスト軸受８０は、第１プレート１５と支持プレート３３との間、及び第２プレート１６と支持プレート３３との間の各々に配置された軸受部を有する。回転軸４０の回転に伴って支持プレート３３が回転すると、支持プレート３３とスラスト軸受８０との間に動圧が生じる。これにより、支持プレート３３がスラスト軸受８０に対して浮上する。スラスト軸受８０は、支持プレート３３に対して非接触の状態で支持プレート３３を回転可能に支持する。したがって、スラスト軸受８０は、回転軸４０をスラスト方向で回転可能に支持する空気動圧軸受である。
　＜第１インペラ３４＞
　第１インペラ３４は金属製である。第１インペラ３４の材料としては、例えばアルミニウムが挙げられる。第１インペラ３４は、回転軸４０の第１端部３０ａに連結されている。第１インペラ３４は、回転軸４０と一体的に回転する羽根車である。第１インペラ３４は、第１インペラ室１３ｂに収容されている。すなわち、第１インペラハウジング部材１３には、第１インペラ３４が収容されている。
　第１インペラ３４は円錐台形状である。第１インペラ３４の直径は、第１インペラ３４の第１背面３４ａから第１インペラ３４の第１先端面３４ｂに向けて徐々に小さくなっている。第１背面３４ａは、軸線方向Ｘにおいて第２プレート１６に対向している。第１背面３４ａから第１先端面３４ｂにかけて、第１シュラウド面５３ａが第１インペラ３４の外周に沿って延びている。これにより、第１シュラウド面５３ａは、第１インペラ３４の外周を覆っている。第１インペラ３４は、回転軸４０と一体的に回転することによって流体である空気を圧縮する。
　＜第２インペラ３５＞
　第２インペラ３５は金属製である。第２インペラ３５の材料としては、例えばアルミニウムが挙げられる。第２インペラ３５は、回転軸４０の第２端部３０ｂに連結されている。第２インペラ３５は、回転軸４０と一体的に回転する羽根車である。第２インペラ３５は、第２インペラ室１４ｂに収容されている。すなわち、第２インペラハウジング部材１４には、第２インペラ３５が収容されている。
　第２インペラ３５は円錐台形状である。第２インペラ３５の直径は、第２インペラ３５の第２背面３５ａから第２インペラ３５の第２先端面３５ｂに向けて徐々に小さくなっている。第２背面３５ａは、軸線方向Ｘにおいて第３プレート１７に対向している。第２背面３５ａから第２先端面３５ｂにかけて、第２シュラウド面５３ｂが第２インペラ３５の外周に沿って延びている。これにより、第２シュラウド面５３ｂは、第２インペラ３５の外周を覆っている。第２インペラ３５は、回転軸４０と一体的に回転することによって流体である空気を圧縮する。
　＜第１チップクリアランス５５＞
　第１インペラ３４と第１シュラウド面５３ａとは、第１チップクリアランス５５によって離間されている。第１チップクリアランス５５は、第１インペラ３４の外周と第１シュラウド面５３ａとの間において、第１インペラ３４の第１先端面３４ｂから第１背面３４ａにかけて延びる隙間である。
　第１チップクリアランス５５の径方向Ｙにおける寸法を第１クリアランス寸法Ｃ１という。第１クリアランス寸法Ｃ１は、径方向Ｙにおける第１インペラ３４と第１シュラウド面５３ａとの間の隙間の寸法である。第１クリアランス寸法Ｃ１は、第１インペラ３４の第１先端面３４ｂから第１背面３４ａにかけて、同じ寸法であってもよいし、異なる寸法であってもよい。例えば、第１先端面３４ｂから第１背面３４ａに近づくほど、第１クリアランス寸法Ｃ１が小さくなっていてもよい。なお、図１では、第１クリアランス寸法Ｃ１の大きさを実際よりも誇張させて図示している。
　＜第２チップクリアランス５６＞
　第２インペラ３５と第２シュラウド面５３ｂとは、第２チップクリアランス５６によって離間されている。第２チップクリアランス５６は、第２インペラ３５の外周と第２シュラウド面５３ｂとの間において、第２インペラ３５の第２先端面３５ｂから第２背面３５ａにかけて延びる隙間である。
　第２チップクリアランス５６の径方向Ｙにおける寸法を第２クリアランス寸法Ｃ２という。第２クリアランス寸法Ｃ２は、径方向Ｙにおける第２インペラ３５と第２シュラウド面５３ｂとの間の隙間の寸法である。第２クリアランス寸法Ｃ２は、第２インペラ３５の第２先端面３５ｂから第２背面３５ａにかけて、同じ寸法であってもよいし、異なる寸法であってもよい。例えば、第２先端面３５ｂから第２背面３５ａに近づくほど、第２クリアランス寸法Ｃ２が小さくなっていてもよい。なお、図１では、第２クリアランス寸法Ｃ２の大きさを実際よりも誇張させて図示している。第１実施形態において、第２クリアランス寸法Ｃ２は第１クリアランス寸法Ｃ１と同じ大きさである。
　＜電動モータ３９＞
　電動モータ３９は、軸線方向Ｘにおいて、第１インペラ３４と第２インペラ３５との間に配置されている。電動モータ３９はモータ室５１に収容されている。電動モータ３９は、ステータ４２及びロータ４１を備えている。ステータ４２は、円筒状のステータコア４３と、ステータコア４３に巻回されるコイル４４と、を有している。ステータコア４３は、モータハウジング部材１２の周壁１２ａの内面に固定されている。
　ロータ４１は、モータ室５１において、ステータコア４３の内側に配置されている。ロータ４１は、回転軸４０と一体的に回転する。ロータ４１は、回転軸４０に止着されたロータコア４１ａと、ロータコア４１ａに設けられた図示しない複数の永久磁石と、を有している。図示しないインバータ装置によって制御された電力がコイル４４に供給されることにより、ロータ４１が回転する。回転軸４０はロータ４１と一体的に回転する。
　＜燃料電池システム１＞
　流体機械１０が搭載される車両は、燃料電池システム１を備える。燃料電池システム１は、車載用燃料電池である燃料電池スタック９９と、流体機械１０と、供給流路ＬＡと、吐出流路ＬＢと、を備えている。燃料電池スタック９９は、複数の電池セルを含む。供給流路ＬＡは、吐出室１３ｃと、燃料電池スタック９９と、を接続する。吐出流路ＬＢは、燃料電池スタック９９と、吸入室１４ｃと、を接続する。
　回転軸４０がロータ４１と一体的に回転すると、第１インペラ３４及び第２インペラ３５が回転軸４０と一体的に回転する。すると、吸入口１３ａから吸入された空気が第１インペラ室１３ｂ内で第１インペラ３４によって圧縮されるとともに第１ディフューザ流路１３ｄを通過して吐出室１３ｃから吐出される。吐出室１３ｃから吐出された空気は、供給流路ＬＡを介して燃料電池スタック９９に供給される。燃料電池スタック９９に供給された空気は、燃料電池スタック９９を発電するために使用される。空気は、燃料電池スタック９９を通過する。
　燃料電池スタック９９を通過する空気は、燃料電池スタック９９の排気として吐出流路ＬＢへ吐出される。燃料電池スタック９９の排気は、吐出流路ＬＢを介して吸入室１４ｃに吸入される。吸入室１４ｃに吸入される燃料電池スタック９９の排気は、第２ディフューザ流路１４ｄを通じて第２インペラ室１４ｂに吐出される。第２インペラ３５は、第２インペラ室１４ｂに吐出された燃料電池スタック９９の排気により回転する。
　回転軸４０は、電動モータ３９の駆動による回転に加え、燃料電池スタック９９の排気により回転する第２インペラ３５の回転によっても回転する。燃料電池スタック９９の排気による第２インペラ３５の回転により回転軸４０の回転が補助される。吸入室１４ｃに吐出された燃料電池スタック９９の排気は、吐出口１４ａから外部へ吐出される。
　＜第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の構成＞
　第１フォイル軸受２０は、第１軸受保持部１８によって保持されている。第２フォイル軸受２２は、第２軸受保持部１９によって保持されている。したがって、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は、ハウジング１１内に配置されている。第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は、共に、本開示に係るフォイル軸受の例である。第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は、回転軸４０を回転可能に支持している。
　第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は、回転軸４０の回転数が浮上回転数に達するまでは、回転軸４０と接触した状態で回転軸４０を支持する。浮上回転数は、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２に対して回転軸４０が浮上するときの回転軸４０の回転数である。回転軸４０が回転すると、回転軸４０と第１フォイル軸受２０との間、及び回転軸４０と第２フォイル軸受２２との間に動圧が生じる。回転軸４０の回転数が浮上回転数に達すると、生じた動圧によって、回転軸４０が第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２に対して浮上する。これにより、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は、回転軸４０に対して非接触の状態で回転軸４０を回転可能に支持する。したがって、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は、回転軸４０をラジアル方向で回転可能に支持する。
　次に、第１フォイル軸受２０の具体的な構成について説明する。なお、第２フォイル軸受２２の形状は、第１フォイル軸受２０の形状と同じである。そのため、以下では第２フォイル軸受２２の構成のうち、第１フォイル軸受２０と同じ構成については詳細な説明を省略する。
　図２及び図３に示すように、第１フォイル軸受２０は、軸受ハウジング部材７１と、トップフォイル７２と、バンプフォイル７３と、を有する。ハウジング１１が軸受ハウジング部材７１を備えているため、第１フォイル軸受２０はハウジング１１を有するともいえる。
　＜軸受ハウジング部材７１＞
　軸受ハウジング部材７１は、円筒状である。軸受ハウジング部材７１の軸線は回転軸４０の軸線ＳＬと一致している。そのため、軸線方向Ｘは軸受ハウジング部材７１の軸線方向でもある。径方向Ｙは、軸受ハウジング部材７１の径方向でもある。軸受ハウジング部材７１には、回転軸４０が挿通される挿通孔７１ｈが形成されている。挿通孔７１ｈは、軸線方向Ｘにおいて軸受ハウジング部材７１を貫通する貫通孔である。
　図１及び図２に示すように、第１フォイル軸受２０における軸受ハウジング部材７１は、第１軸受保持部１８によって保持されている。第１フォイル軸受２０における軸受ハウジング部材７１は、第１軸受保持部１８とは別体である。第２フォイル軸受２２における軸受ハウジング部材７１は、第２軸受保持部１９によって保持されている。第２フォイル軸受２２における軸受ハウジング部材７１は、第２軸受保持部１９とは別体である。
　＜トップフォイル７２＞
　図２及び図３に示すように、トップフォイル７２は筒状である。トップフォイル７２は、略円筒状である。トップフォイル７２は、軸受ハウジング部材７１の内部に位置する。トップフォイル７２は、軸受ハウジング部材７１の内部において軸受ハウジング部材７１の周方向に延びている。以下、軸受ハウジング部材７１の周方向を単に「周方向」ということがある。トップフォイル７２は薄板状である。詳細には、トップフォイル７２は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材から形成される。より詳細には、この金属板材を、長手方向が周方向に沿い、かつ短手方向が軸線方向Ｘに沿うように、筒状に湾曲させることによりトップフォイル７２が得られる。
　トップフォイル７２の周方向における一端部は、溶接又は締り嵌めによって軸受ハウジング部材７１に固定されており、他端部は軸受ハウジング部材７１に固定されていない。こうして軸受ハウジング部材７１に固定されたトップフォイル７２の端部を第１固定端部７２ａといい、軸受ハウジング部材７１に固定されていないトップフォイル７２の端部を第１自由端部７２ｂという。第１固定端部７２ａは、径方向Ｙにおけるトップフォイル７２の外側へ折り曲げられている。第１自由端部７２ｂは、周方向において第１固定端部７２ａの基端部から離れている。したがって、トップフォイル７２は、閉じた環の一部が切り欠かれた開かれた環（非環状）である。「開かれた環」とは、例えばＣ字形のようなギャップを有する、全体としてループした形状を指す。
　トップフォイル７２は、径方向Ｙにおいて回転軸４０よりも外側に配置されている。トップフォイル７２は回転軸４０に対向する。トップフォイル７２は、軸受面７２ｓを有する。トップフォイル７２の内面が、回転軸４０に対向する軸受面７２ｓを構成している。トップフォイル７２は、回転軸４０の回転時に回転軸４０を非接触の状態で回転可能に支持する。
　＜バンプフォイル７３＞
　バンプフォイル７３は、全体として円筒状である。バンプフォイル７３は、径方向Ｙにおけるトップフォイル７２と軸受ハウジング部材７１との間に配置される。バンプフォイル７３は薄板状である。詳細には、バンプフォイル７３は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材から形成される。より詳細には、この金属板材を、長手方向が周方向に沿い、かつ短手方向が軸線方向Ｘに沿うように、筒状に湾曲させることによりバンプフォイル７３が得られる。バンプフォイル７３の厚みをｈ１で示す。厚みｈ１は、トップフォイル７２の厚みと略同じであってもよい。
　バンプフォイル７３の周方向における一端部は、溶接又は締り嵌めによって軸受ハウジング部材７１に固定されており、他端部は軸受ハウジング部材７１に固定されていない。こうして軸受ハウジング部材７１に固定されたバンプフォイル７３の端部を第２固定端部７３ａといい、軸受ハウジング部材７１に固定されていないバンプフォイル７３の端部を第２自由端部７３ｂという。第２固定端部７３ａは、径方向Ｙにおけるバンプフォイル７３の外側へ折り曲げられている。第２自由端部７３ｂは、周方向において第２固定端部７３ａの基端部から離れている。したがって、バンプフォイル７３は、閉じた環の一部が切り欠かれた開かれた環である。バンプフォイル７３は、トップフォイル７２を弾性的に支持する。
　バンプフォイル７３は、複数の山部８１と複数の谷部８２とを備えている。複数の山部８１はトップフォイル７２の外周面７２ｆに接触する。複数の谷部８２は、軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇに接触する。山部８１と谷部８２とは、回転軸４０の回転方向Ｄに沿って交互に配置されている。
　谷部８２は、トップフォイル７２の外周面７２ｆから離れる方向へ突出するとともに、軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇに向けて膨出するように弧状に湾曲している。各山部８１は、回転軸４０の回転方向Ｄにおいて、隣接する谷部８２の端部８２ｃからトップフォイル７２の外周面７２ｆに向けて突出するとともに、トップフォイル７２に向けて膨出するように弧状に湾曲している。なお、谷部８２の端部８２ｃは、バンプフォイル７３における山部８１と谷部８２との境界部分である。バンプフォイル７３は、複数の山部８１及び複数の谷部８２が回転軸４０の回転方向Ｄに伸長することでトップフォイル７２を弾性的に支持する。
　バンプフォイル７３は、回転軸４０の回転方向Ｄにおいて分割された複数の分割体７３ｃを含む。例えば、バンプフォイル７３は、３つの分割体７３ｃを備えている。バンプフォイル７３が備える全ての分割体７３ｃを、以下では複数の分割体７３ｃともいう。回転軸４０の回転方向Ｄにおける複数の分割体７３ｃの寸法は、互いに略同じ寸法でもよいし、一部又は全てで互いに異なる寸法であってもよい。複数の分割体７３ｃは、互いに同数の山部８１を備えてもよいし、一部又は全てで備える山部８１の数が互いに異なってもよい。複数の分割体７３ｃは、互いに同数の谷部８２を備えてもよいし、一部又は全てで備える谷部８２の数が互いに異なってもよい。
　各分割体７３ｃは、回転軸４０の回転方向Ｄにおいて、軸受ハウジング部材７１に固定される固定端７３ｄと、軸受ハウジング部材７１に固定されていない自由端７３ｅと、を有する。複数の分割体７３ｃのうち、１つの分割体７３ｃの固定端７３ｄが第２固定端部７３ａであるとともに、その他の１つの分割体７３ｃの自由端７３ｅが第２自由端部７３ｂである。各分割体７３ｃにおいて、回転軸４０の回転方向Ｄにおける端部が固定端７３ｄである。各分割体７３ｃにおいて、固定端７３ｄとは反対側の端部が自由端７３ｅである。
　回転軸４０の回転方向Ｄにおいて、互いに隣り合う２つの分割体７３ｃのうち、一方の分割体７３ｃの固定端７３ｄと他方の分割体７３ｃの自由端７３ｅとが互いに隣り合っている。各分割体７３ｃにおいて、固定端７３ｄ及び自由端７３ｅは、軸線方向Ｘにおける分割体７３ｃの一端と他端との間で軸線方向Ｘに延びている。
　互いに隣り合う２つの分割体７３ｃのうち、一方の分割体７３ｃの固定端７３ｄと他方の分割体７３ｃの自由端７３ｅとは、回転軸４０の回転方向Ｄにおいて互いに離れている。各分割体７３ｃは、伸長に関わらず隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとの間に間隙８３が形成されるように配置されている。
　＜無荷重状態ＳＮ＞
　次に、回転軸４０から軸受面７２ｓに荷重が作用しない状態での第１フォイル軸受２０について、図３を参照して説明する。回転軸４０から軸受面７２ｓに荷重が作用しない状態とは、回転軸４０が回転しておらず、かつ軸受面７２ｓが全周に亘って回転軸４０に接触している状態のことをいう。こうした回転軸４０から軸受面７２ｓに荷重が作用しない状態のことを、以下では無荷重状態ＳＮという。
　図３に示すように、無荷重状態ＳＮにおいて、バンプフォイル７３が備える山部８１の各々が、局所的にトップフォイル７２の外周面７２ｆに接する。無荷重状態ＳＮにおいて、山部８１のうちトップフォイル７２への突出方向における先端部分がトップフォイル７２の外周面７２ｆに接する。無荷重状態ＳＮにおいて、バンプフォイル７３が備える谷部８２の各々が、局所的に軸受ハウジング７１の内周面７１ｇに接する。無荷重状態ＳＮにおいて、谷部８２のうち軸受ハウジング部材７１への突出方向における先端部分が軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇに接する。
　無荷重状態ＳＮで、山部８１におけるバンプフォイル７３の外周面７３ｆと軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇとの間の径方向Ｙにおける距離を第１距離Ｈ１とする。第１距離Ｈ１は、第１チップクリアランス５５の径方向Ｙにおける寸法である第１クリアランス寸法Ｃ１、及び第２チップクリアランス５６の径方向Ｙにおける寸法である第２クリアランス寸法Ｃ２よりも小さい。すなわち、径方向Ｙにおける第１インペラ３４と第１シュラウド面５３ａとの間の隙間の寸法である第１クリアランス寸法Ｃ１の最小値は、第１距離Ｈ１よりも大きい。径方向Ｙにおける第２インペラ３５と第２シュラウド面５３ｂとの間の隙間の寸法である第２クリアランス寸法Ｃ２の最小値は、第１距離Ｈ１よりも大きい。
　無荷重状態ＳＮで、回転軸４０の回転方向Ｄにおける隣り合う山部８１と谷部８２の距離が第２距離Ｌ１である。第２距離Ｌ１は、回転方向Ｄにおいて隣り合う山部８１と谷部８２のうち、山部８１の突出方向における先端と谷部８２の突出方向における先端との回転方向Ｄにおける距離である。バンプフォイル７３の厚みｈ１、第１距離Ｈ１、及び第２距離Ｌ１は、Ｌ１２／６００ｈ１＞Ｈ１の関係にある。
　無荷重状態ＳＮにおいて、隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとの間には、間隙８３がある。言い換えると、無荷重状態ＳＮにおいて、回転軸４０の回転方向Ｄで隣り合う２つの分割体７３ｃ同士の間には、バンプフォイル７３が位置しない間隙８３がある。
　なお、無荷重状態ＳＮは、単に回転軸４０が回転していない状態とは異なる。回転軸４０が回転しない状態であり、かつ無荷重状態ＳＮでないときは、トップフォイル７２の軸受面７２ｓのうち、回転軸４０の回転方向Ｄにおける一部又は全体に対して、回転軸４０が接する。回転軸４０が回転しない状態であり、かつ無荷重状態ＳＮでないときは、トップフォイル７２のうちで回転軸４０が接した部分において、回転軸４０から軸受面７２ｓに荷重が作用する。
　＜第１状態Ｓ１＞
　次に、第１状態Ｓ１について、図４及び図５を参照して説明する。第１状態Ｓ１において、回転する回転軸４０は軸受面７２ｓから浮上している。このような第１フォイル軸受２０の状態を第１状態Ｓ１という。第１状態Ｓ１において、軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重は、閾値Ｐ以下になっている。
　図４に示すように、第１状態Ｓ１においては、回転軸４０の回転に伴って、径方向Ｙにおける外側に向けてトップフォイル７２が弾性変形する。これにより、回転軸４０とトップフォイル７２との間に空気膜が形成されるため、動圧が生じる。第１フォイル軸受２０は、トップフォイル７２に対して回転軸４０が非接触の状態で回転軸４０を回転可能に支持する。
　回転軸４０とトップフォイル７２との間の空気膜によって、トップフォイル７２が径方向Ｙにおける外側に向けて弾性変形すると、トップフォイル７２の外周面７２ｆに接触しているバンプフォイル７３の山部８１がトップフォイル７２によって押圧される。これにより、バンプフォイル７３はトップフォイル７２と共に径方向Ｙにおける外側に弾性変形する。こうしてトップフォイル７２は、バンプフォイル７３によって弾性的に支持される。径方向Ｙにおける外側へのトップフォイル７２の変位に伴って、山部８１及び谷部８２は弾性変形する。第１状態Ｓ１においては、空気膜を介して回転軸４０から軸受面７２ｓの全体に満遍なく荷重が作用する。このため、全ての山部８１及び谷部８２は一様に弾性変形する。
　図５に示すように、第１状態Ｓ１において、バンプフォイル７３が備える山部８１の各々が、局所的にトップフォイル７２の外周面７２ｆに接する。山部８１の弾性変形に伴って、第１状態Ｓ１においては、無荷重状態ＳＮと比較して、山部８１の周方向におけるより広範囲の部分がトップフォイル７２に接する。第１状態Ｓ１において、バンプフォイル７３が備える谷部８２の各々が、局所的に軸受ハウジング部材７１の内面に接する。谷部８２の弾性変形に伴って、第１状態Ｓ１においては、無荷重状態ＳＮと比較して、谷部８２の周方向におけるより広範囲の部分が軸受ハウジング部材７１に接する。
　第１状態Ｓ１において、山部８１は軸受ハウジング部材７１との間に隙間Ｇ１を有する。第１状態Ｓ１において、谷部８２はトップフォイル７２との間に隙間Ｇ２を有する。第１状態Ｓ１において、こうした隙間Ｇ１，Ｇ２を有した状態で、バンプフォイル７３はトップフォイル７２を支持している。
　間隙８３の周方向に沿う寸法が間隙寸法Ａである。第１状態Ｓ１において、隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとの間には、間隙８３がある。隣り合う２つの分割体７３ｃ同士は、回転軸４０の回転方向Ｄにおいて互いに離れている。山部８１及び谷部８２の弾性変形に伴って、隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとが近づくように分割体７３ｃは変形する。そのため、第１状態Ｓ１における間隙寸法Ａは、無荷重状態ＳＮよりも小さくなる。
　＜第２状態Ｓ２＞
　次に、第２状態Ｓ２について、図６及び図７を参照して説明する。第２状態Ｓ２において、回転軸４０は、第１状態Ｓ１よりも軸受面７２ｓの周方向における一部に近づいている。こうした第１フォイル軸受２０の状態を第２状態Ｓ２という。第１状態Ｓ１よりも回転軸４０が軸受面７２ｓに近づく要因としては、回転軸４０の偏心、例えば、回転軸４０が径方向Ｙにずれる場合が挙げられる。また、回転軸４０の熱膨張によって回転軸４０の径が大きくなることもある。第２状態Ｓ２において、軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重は閾値Ｐを超える。
　図６に示すように、トップフォイル７２の周方向における一部が第１変位部７２ｐである。第１変位部７２ｐよりも径方向Ｙ外側に位置するバンプフォイル７３の部分が第２変位部７３ｐである。第２状態Ｓ２での第１変位部７２ｐは、第１状態Ｓ１よりも軸受面７２ｓに回転軸４０が近づいた部分に相当する。第１実施形態では、１つの分割体７３ｃの全体を第２変位部７３ｐとして例示する。第２変位部７３ｐである１つの分割体７３ｃよりも径方向Ｙ内側に位置するトップフォイル７２の部分を第１変位部７２ｐとして例示する。
　第２状態Ｓ２においては、第１変位部７２ｐに対して、第１状態Ｓ１よりも大きな荷重が空気膜を介して回転軸４０から作用する。これにより、第１変位部７２ｐは、第１状態Ｓ１での位置よりも径方向Ｙ外側へ変位する。したがって、第２状態Ｓ２とは、第１変位部７２ｐが第１状態Ｓ１での位置よりも径方向Ｙ外側へ変位するときの第１フォイル軸受２０の状態のことともいえる。
　図７に示すように、第１変位部７２ｐの径方向Ｙ外側への変位に伴って、第２変位部７３ｐに位置する山部８１及び谷部８２が第１状態Ｓ１よりも大きく弾性変形する。これにより、第２状態Ｓ２における第２変位部７３ｐは、トップフォイル７２及び軸受ハウジング部材７１への接触範囲が第１状態Ｓ１よりも周方向において拡大する。
　山部８１及び谷部８２の弾性変形に伴って、複数の分割体７３ｃは、隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとが近づくように変形する。そのため、第２状態Ｓ２での第２変位部７３ｐを含む分割体７３ｃは、第１状態Ｓ１と比較して、回転軸４０の回転方向Ｄに大きくなるように変位する。第２状態Ｓ２において、隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとの間には、間隙８３がある。第２状態Ｓ２において、第２変位部７３ｐを含む分割体７３ｃと、この分割体７３ｃと回転軸４０の回転方向Ｄで隣り合う分割体７３ｃとは重ならない。すなわち、第１状態Ｓ１における間隙寸法Ａは、第２状態Ｓ２において第２変位部７３ｐを含む分割体７３ｃの回転軸４０の回転方向Ｄにおける変位量以上であるように設定されている。
　第２状態Ｓ２において、山部８１は、トップフォイル７２の外周面７２ｆだけでなく、軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇにも当接する。第２状態Ｓ２において、谷部８２は、軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇだけでなく、トップフォイル７２の外周面７２ｆにも当接する。バンプフォイル７３は、こうした山部８１及び谷部８２の当接によって、トップフォイル７２を支持している。
　第２状態Ｓ２において、バンプフォイル７３の一部である第２変位部７３ｐは、トップフォイル７２の外周面７２ｆ及び軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇに沿って延びている。これにより、第２状態Ｓ２において、トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが局所的にプレーン軸受８５となって回転軸４０を支持している。
　トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが局所的にプレーン軸受８５となる場合でも、第１インペラ３４と第１シュラウド面５３ａとの間の第１チップクリアランス５５は、０よりも大きい。トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが局所的にプレーン軸受８５となる場合でも、第２インペラ３５と第２シュラウド面５３ｂとの間の第２チップクリアランス５６は、０よりも大きい。
　＜梁モデルを使った計算式＞
　図８及び図９に示すように、第１モデル１００及び第２モデル２００を使って、弾性変形範囲内のバンプフォイル７３の変形量δについて検討する。第１モデル１００は、バンプフォイル７３の１ピッチ分を取り出したものである。第１モデル１００は、両端部から膨出するように弧状に湾曲した第１凸部１０２を有する。第１モデル１００の両端部が谷部８２に相当する。第１凸部１０２が山部８１に相当する。第２モデル２００は、バンプフォイル７３の１ピッチ分を両端固定の梁へモデル化したものである。梁モデルである第２モデル２００は、一端と他端との間で延びる平坦な平板材である。第２モデル２００の両端部が固定されている。これらモデルにおいて、バンプピッチを「２Ｌ１」とし、バンプ板厚を「ｈ」とする。これらモデルにおいて、作用する荷重を「Ｆ」とし、軸受幅を「ｂ」とし、応力を「σ」とし、変形量を「δ」とし、ヤング率を「Ｅ」とする。軸受幅ｂとは、バンプフォイル７３の軸線方向Ｘの長さである。なお、バンプピッチ「２Ｌ１」は、第２距離Ｌ１に２を乗算した数に相当する。バンプ板厚「ｈ」は、厚みｈ１に相当する。
　第２モデル２００においては、以下の（式１）及び（式２）の公式が成り立つ。
　上記の（式１）及び（式２）から以下（式３）を導くことができる。
　典型的なバンプフォイル７３は合金鋼材製又はステンレス鋼製であるため、一般的にヤング率Ｅ=２００［ＧＰａ］、耐力σmax＝１０００［ＭＰａ］程度である。これらの値を（式３）に代入すると、以下（式４）を導くことができる。
　上記（式４）より、「Ｌ１２／６００ｈ」以下の変形量δでは弾性域となり、それより大きい変形量δでは塑性域となる。すなわち、「Ｌ１２／６００ｈ」が弾性域の最大変位量である。バンプフォイル７３の高さである第１距離Ｈ１を「Ｌ１２／６００ｈ＞Ｈ１」が成立する値に設定することで、バンプフォイル７３を弾性域で使用することが可能となる。
　上記（式４）のように、バンプフォイル７３は、第１距離Ｈ１、第２距離Ｌ１、及び厚みｈ１の値を「Ｌ１２／６００ｈ１＞Ｈ１」の関係になるように予め設定している。これにより、径方向Ｙにおけるバンプフォイル７３の変位量が第１距離Ｈ１以下である間、バンプフォイル７３を弾性変形させることができる。変形後のバンプフォイル７３は、塑性変形していないため、無荷重状態ＳＮや第１状態Ｓ１でのバンプフォイル７３の形状まで復帰可能である。したがって、バンプフォイル７３は可逆性を有している。
　山部８１及び谷部８２は、閾値Ｐを超えた後に、すなわち第１フォイル軸受２０によるトップフォイル７２の支持態様が第１状態Ｓ１から第２状態Ｓ２に移行した後に、材料の耐力限界を超えないように設定されている。軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重が閾値Ｐを超えた後に閾値Ｐ以下に戻る場合、第１フォイル軸受２０によるトップフォイル７２の支持態様は、第２状態Ｓ２から第１状態Ｓ１に移行することになる。こうして第２状態Ｓ２から第１状態Ｓ１に移行するとき、バンプフォイル７３は、自身の弾性力により、山部８１が軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇから離間し、谷部８２がトップフォイル７２の外周面７２ｆから離間する。
　＜第１実施形態の作用＞
　次に、第１実施形態の作用について説明する。
　例えば、回転軸４０の振動や回転軸４０の熱膨張に伴って、トップフォイル７２が第１状態Ｓ１よりも径方向Ｙ外側に変位する第２状態Ｓ２となることがある。この場合、トップフォイル７２の外周面７２ｆに接触しているバンプフォイル７３の各山部８１がトップフォイル７２によって過剰に押圧されることがある。
　第２状態Ｓ２における第２変位部７３ｐは、回転軸４０の回転方向Ｄにおけるトップフォイル７２及び軸受ハウジング部材７１への接触範囲が第１状態Ｓ１よりも拡大する。第２状態Ｓ２における第２変位部７３ｐは、トップフォイル７２の外周面７２ｆ及び軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇに沿って延びている。これにより、第２状態Ｓ２での第１変位部７２ｐ及び第２変位部７３ｐにおいて、トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが互いに回転軸４０の回転方向Ｄに伸びてプレーン軸受状になる。したがって、第２状態Ｓ２での第１フォイル軸受２０は、トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが局所的にプレーン軸受８５となることで、回転軸４０を動圧によって支持できる。
　＜第１実施形態の効果＞
　上記第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
　（１－１）軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重が閾値Ｐを超える場合、バンプフォイル７３は、山部８１が軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇにも当接し、谷部８２がトップフォイル７２の外周面７２ｆにも当接してトップフォイル７２を支持する。これにより、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の軸受性能が低下するようなバンプフォイル７３の変形を抑制できる。軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重が閾値Ｐを超える場合、トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが局所的にプレーン軸受８５となることにより、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は回転軸４０を動圧によって支持できる。したがって、トップフォイル７２に過剰な荷重が作用する状況下でも、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の軸受性能が低下することを抑制できる。
　（１－２）軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重が閾値Ｐ以下に戻る場合、バンプフォイル７３自身の弾性力により、山部８１が軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇから離間し、谷部８２がトップフォイル７２の外周面７２ｆから離間する。したがって、可逆性を有したバンプフォイル７３を採用できるため、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の軸受性能の低下をさらに抑制できる。
　（１－３）各々の分割体７３ｃは、回転軸４０の回転方向Ｄにおいて、軸受ハウジング部材７１に固定される固定端７３ｄと、軸受ハウジング部材７１に固定されていない自由端７３ｅと、を有する。各分割体７３ｃは、伸長に関わらず隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとの間に間隙８３があるように配置されている。そのため、回転軸４０の回転方向Ｄにおいてバンプフォイル７３が伸びても、隣り合う分割体７３ｃ同士が重ならない。したがって、回転軸４０の回転方向Ｄにおけるバンプフォイル７３の変位が妨げられないため、バンプフォイル７３によってトップフォイル７２を好適に弾性支持できる。
　（１－４）山部８１及び谷部８２は、閾値Ｐを超えた後に、材料の耐力限界を超えないように形成されている。そのため、軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重が閾値Ｐを超えた後でも、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の軸受性能が低下するようなバンプフォイル７３の変形を抑制できる。
　（１－５）回転軸４０から軸受面７２ｓに荷重が作用しない状態で、第２距離Ｌ１、厚みｈ１、及び第１距離Ｈ１が、Ｌ１２／６００ｈ１＞Ｈ１の関係にある。そのため、径方向Ｙにおけるバンプフォイル７３の最大の変位量は、バンプフォイル７３が軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇに沿う場合の変位量であって、且つ第１距離Ｈ１である。第１距離Ｈ１以下では、バンプフォイル７３を弾性変形させることができる。変形後のバンプフォイル７３は、塑性変形していないため、軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重が閾値Ｐ以下であるときのバンプフォイル７３の形状まで復帰可能である。したがって、可逆性を有したバンプフォイル７３を採用できるため、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の軸受性能の低下をさらに抑制できる。
　（１－６）トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが局所的にプレーン軸受８５になる場合でも、第１チップクリアランス５５及び第２チップクリアランス５６は、０よりも大きい。そのため、プレーン軸受８５になるようにトップフォイル７２が局所的に変位したとしても、第１シュラウド面５３ａへの第１インペラ３４の衝突、及び第２シュラウド面５３ｂへの第２インペラ３５の衝突を抑制できる。
　（１－７）径方向Ｙにおける第１インペラ３４と第１シュラウド面５３ａとの間の隙間の寸法である第１クリアランス寸法Ｃ１の最小値は、第１距離Ｈ１よりも大きい。径方向Ｙにおける第２インペラ３５と第２シュラウド面５３ｂとの間の隙間の寸法である第２クリアランス寸法Ｃ２の最小値は、第１距離Ｈ１よりも大きい。そのため、径方向Ｙにおけるバンプフォイル７３の変位量が第１距離Ｈ１以下である間、第１シュラウド面５３ａへの第１インペラ３４の衝突、及び第２シュラウド面５３ｂへの第２インペラ３５の衝突を抑制できる。したがって、プレーン軸受８５になるようにトップフォイル７２が局所的に変位したとしても、第１シュラウド面５３ａへの第１インペラ３４の衝突、及び第２シュラウド面５３ｂへの第２インペラ３５の衝突を抑制できる。
　（１－８）バンプフォイル７３の剛性を高めれば、バンプフォイル７３の破損のような、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の軸受性能が低下するようなバンプフォイル７３の変形を抑制できる。しかしながら、この場合だと、回転軸４０が高速回転に伴って熱膨張することにより、回転軸４０と軸受面７２ｓとの隙間が小さくなる状況下でも、バンプフォイル７３が変形しにくいために上記隙間が広がりにくい。そのため、軸受面７２ｓに回転軸４０が直接接することにより、摩擦熱によって回転軸４０と第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２とが焼付くおそれがある。また、バンプフォイル７３の剛性を高めれば、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の共振周波数が増加する。一方で、加振力（回転軸４０のアンバランス力）は回転数の２乗に比例して増加する。このため、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の共振点を加振力が大きい高回転で通過することになり、回転軸４０の振動が生じる。上記第１実施形態によれば、バンプフォイル７３の剛性を高めなくても、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の軸受性能が低下するようなバンプフォイル７３の変形を抑制できる。したがって、上記のようなバンプフォイル７３の剛性を高める場合に生じる不具合の発生を抑制できる。
　（第２実施形態）
　以下、第２実施形態に係るフォイル軸受及び流体機械を図１０～図１３にしたがって説明する。第２実施形態におけるフォイル軸受の形状が、第１実施形態と異なっている。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態と同様の構成については適宜説明を省略する。
　＜バンプフォイル７３＞
　図１０～図１２に示すように、各々の分割体７３ｃは、伸長に関わらず隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとの間に間隙８３が形成されるように配置されている。間隙８３は、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２によるトップフォイル７２の支持態様が、無荷重状態ＳＮ、第１状態Ｓ１、及び第２状態Ｓ２のいずれであるときにも間隙８３は形成される。
　各分割体７３ｃの固定端７３ｄは、第１実施形態と同様に、軸線方向Ｘにおける分割体７３ｃの一端と他端との間で軸線方向Ｘに延びている。各分割体７３ｃにおいて、自由端７３ｅは、軸線方向Ｘにおける分割体７３ｃの両端部から中間部に近づくほど、回転軸４０の回転方向Ｄへとずれた形状である。こうした固定端７３ｄ及び自由端７３ｅの形状により、間隙８３は、へリングボーン形状の溝８６を構成する。
　第２実施形態においても、無荷重状態ＳＮから第１状態Ｓ１に移行したとき、第１実施形態と同様にバンプフォイル７３が変形する。第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、回転軸４０から軸受面７２ｓに荷重が作用しない状態で、第２距離Ｌ１、厚みｈ１、及び第１距離Ｈ１が、Ｌ１２／６００ｈ１＞Ｈ１の関係にある。
　＜第２状態Ｓ２＞
　図１０及び図１１に示すように、軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重が閾値Ｐを超える場合、山部８１が軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇにも当接し、谷部８２がトップフォイル７２の外周面７２ｆにも当接する。こうして山部８１及び谷部８２が当接した状態で、バンプフォイル７３はトップフォイル７２を支持する。
　第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、第２状態Ｓ２における第２変位部７３ｐは、トップフォイル７２の外周面７２ｆ及び軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇに沿って延びている。これにより、第２状態Ｓ２での第１フォイル軸受２０は、トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが局所的にプレーン軸受８５となることにより、回転軸４０を動圧によって支持できる。
　図１３に示すように、第２状態Ｓ２において、バンプフォイル７３の間隙８３によってヘリングボーン形状の溝８６が形成される。第２状態Ｓ２において、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は、局所的にヘリングボーン軸受８７となることで回転軸４０を支持する。
　＜第２実施形態の作用＞
　次に、第２実施形態の作用について説明する。
　第１実施形態と同様に、第２状態Ｓ２における第２変位部７３ｐは、トップフォイル７２の外周面７２ｆ及び軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇに沿って延びている。第２状態Ｓ２での第１フォイル軸受２０は、トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが局所的にプレーン軸受８５になることにより、回転軸４０を動圧によって支持できる。
　第２状態Ｓ２における第１変位部７２ｐに対しては、空気膜を介して回転軸４０から荷重が作用する。第２状態Ｓ２において間隙８３よりも径方向Ｙの内側に位置するトップフォイル７２の部分が、間隙８３に向けて押し付けられるように湾曲する。これにより、第１変位部７２ｐにおいて、第１フォイル軸受２０はヘリングボーン軸受状になる。これによっても、第２状態Ｓ２での第１フォイル軸受２０は、回転軸４０を動圧によって支持できる。
　＜第２実施形態の効果＞
　上記第２実施形態によれば、第１実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
　（２－１）間隙８３は、へリングボーン形状の溝８６である。軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重が閾値Ｐを超える場合、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は、局所的にヘリングボーン軸受８７となることで回転軸４０を支持する。そのため、軸受面７２ｓが回転軸４０から受ける荷重が閾値Ｐを超える場合、隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとの間隙８３よりも径方向Ｙの内側に位置するトップフォイル７２の部分が、間隙８３に向けて押し付けられるように湾曲する。これにより、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２は、局所的にヘリングボーン軸受８７となることで回転軸４０を支持できる。したがって、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２の軸受性能が低下することをさらに抑制できる。
　＜変更例＞
　なお、上記の各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記の各実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
　○　図１４及び図１５に示すように、固定端７３ｄは、自由端７３ｅと同様に、軸線方向Ｘにおける分割体７３ｃの両端部から中間部に近づくほど、回転軸４０の回転方向Ｄへとずれた形状であってもよい。すなわち、固定端７３ｄは自由端７３ｅに沿った形状であってもよい。
　○　第１クリアランス寸法Ｃ１の最小値及び第２クリアランス寸法Ｃ２の最小値は、第１距離Ｈ１と同じであってもよいし、第１距離Ｈ１よりも小さくてもよい。
　○　トップフォイル７２とバンプフォイル７３とが局所的にプレーン軸受８５となる場合、第１チップクリアランス５５及び第２チップクリアランス５６は、０であってもよい。
　○　山部８１及び谷部８２は、閾値Ｐを超えた後に、材料の耐力限界を超えてもよい。
　○　第２距離Ｌ１、厚みｈ１、及び第１距離Ｈ１は、「Ｌ１２／６００ｈ１＞Ｈ１」を満たさなくてもよい。
　○　第２状態Ｓ２から第１状態Ｓ１に移行する場合に、バンプフォイル７３の弾性力によるバンプフォイル７３の変形が生じなくてもよい。この場合、例えば、山部８１は、第２状態Ｓ２から第１状態Ｓ１に移行しても、軸受ハウジング部材７１の内周面７１ｇに接したままとなる。例えば、谷部８２は、第２状態Ｓ２から第１状態Ｓ１に移行しても、トップフォイル７２の外周面７２ｆに接したままとなる。
　○　各々の分割体７３ｃは、伸長によって隣り合う固定端７３ｄと自由端７３ｅとの間の間隙８３がなくなってもよい。この場合、例えば、第２状態Ｓ２において、隣り合う２つの分割体７３ｃにおいて、固定端７３ｄと自由端７３ｅとが接していてもよい。
　○　バンプフォイル７３は、全周に亘って連続した、単一の部材から構成されてもよい。
　○　第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２から軸受ハウジング部材７１を省略してもよい。この場合、例えば、第１軸受保持部１８及び第２軸受保持部１９に軸受ハウジング部材７１を一体化させることにより、第１フォイル軸受２０及び第２フォイル軸受２２から軸受ハウジング部材７１を省略させてもよい。ハウジング１１にバンプフォイル７３とトップフォイル７２とが、溶接又は締り嵌めによって固定されてもよい。
　○　流体機械１０は、例えば、第２インペラ３５を備えていなくてもよい。
　○　第１インペラ３４及び第２インペラ３５が圧縮する流体は、空気に限らない。流体としては、例えば、冷媒や、ガス状態と液状態とが混在したフロン雰囲気でもよい。したがって、流体機械１０が圧縮対象とする流体は任意である。例えば、流体機械１０は空調装置に用いられていてもよい。この場合の流体機械１０は、冷媒を圧縮対象としてもよい。流体機械１０の搭載対象は、車両に限られず任意である。
　Ｄ…回転方向、Ｇ１，Ｇ２…隙間、ｈ１…厚み、Ｐ…閾値、Ｙ…径方向、１０…流体機械、１１…ハウジング、４０…回転軸、７１…軸受ハウジング部材、７１ｇ…内周面、７１ｈ…挿通孔、７２…トップフォイル、７２ｆ…（トップフォイルの）外周面、７２ｓ…軸受面、７３…バンプフォイル、７３ｃ…分割体、７３ｄ…固定端、７３ｅ…自由端、７３ｆ…バンプフォイルの外周面、８１…山部、８２…谷部、８３…間隙、８５…プレーン軸受、８６…溝、８７…ヘリングボーン軸受。

Claims (8)

  1. 　回転体が挿通される挿通孔を有するハウジングと、
    　前記回転体に対向する軸受面を有する筒状のトップフォイルと、
    　前記トップフォイルと前記ハウジングとの間に配置される薄板状のバンプフォイルであって、前記トップフォイルの外周面に接触する複数の山部と前記ハウジングの内周面に接触する複数の谷部とを有し、前記山部と前記谷部とが前記回転体の回転方向に沿って交互に配置され、前記複数の山部及び前記複数の谷部が前記回転方向に伸長することで前記トップフォイルを弾性的に支持するように構成される、バンプフォイルと、
    　を備え、
    　前記軸受面が前記回転体から受ける荷重が閾値以下の場合、前記バンプフォイルは、前記複数の山部が前記ハウジングとの間に隙間を有し、前記複数の谷部が前記トップフォイルとの間に隙間を有して前記トップフォイルを支持するように構成され、
    　前記軸受面が前記回転体から受ける荷重が前記閾値を超える場合、前記バンプフォイルは、前記複数の山部が前記ハウジングの内周面にも当接し、前記複数の谷部が前記トップフォイルの外周面にも当接して前記トップフォイルを支持し、前記トップフォイルと前記バンプフォイルとが局所的にプレーン軸受となって前記回転体を支持するように構成される、
    　フォイル軸受。
  2. 　前記軸受面が前記回転体から受ける荷重が前記閾値を超えた後に前記閾値以下に戻る場合、前記バンプフォイルは、自身の弾性力により、前記複数の山部が前記ハウジングの内周面から離間し、前記複数の谷部が前記トップフォイルの外周面から離間するように構成される、
    　請求項１に記載のフォイル軸受。
  3. 　前記バンプフォイルは、前記回転方向において分割された複数の分割体を含み、
    　前記各分割体は、前記回転方向において、前記ハウジングに固定される固定端と、前記ハウジングに固定されていない自由端と、を有し、
    　前記回転方向に並ぶ２つの分割体は、一方の分割体の固定端が他方の分割体の自由端と隣合っており、かつ、互いに隣合う前記固定端と前記自由端との間に、前記２つの分割体の伸長に関わらず、間隙が形成されるように配置されている、
    　請求項１又は請求項２に記載のフォイル軸受。
  4. 　前記間隙は、へリングボーン形状の溝であり、
    　前記軸受面が前記回転体から受ける荷重が前記閾値を超える場合、前記複数の山部が前記ハウジングの内周面にも当接し、前記複数の谷部が前記トップフォイルの外周面にも当接して前記トップフォイルを支持し、局所的にヘリングボーン軸受となって前記回転体を支持するように構成される、
    　請求項３に記載のフォイル軸受。
  5. 　前記複数の山部及び前記複数の谷部は、前記閾値を超えた後に、材料の耐力限界を超えないように形成されている、
    　請求項１～請求項４のうちいずれか一項に記載のフォイル軸受。
  6. 　前記軸受面に前記回転体からの荷重が作用しない状態で、前記回転方向における隣り合う前記山部と前記谷部の距離がＬ１であり、前記バンプフォイルの厚みがｈ１であり、前記回転体の径方向における前記山部における前記バンプフォイルの外周面と前記ハウジングの内周面との間の距離が１である場合に、Ｌ１２／６００ｈ１＞Ｈ１である、
    　請求項１～請求項５のうちいずれか一項に記載のフォイル軸受。
  7. 　前記回転体と、
    　前記回転体と一体的に回転することによって流体を圧縮するように構成されるインペラと、
    　前記回転体及び前記インペラが収容されたインペラハウジングと、
    　請求項１～請求項６のうちいずれか一項に記載のフォイル軸受と、を備え、
    　前記インペラハウジングは、前記インペラの外周を覆うシュラウド面を備え、
    　前記トップフォイルと前記バンプフォイルとが局所的にプレーン軸受となる場合でも、前記インペラと前記シュラウド面との間のチップクリアランスは、０よりも大きい、
    　流体機械。
  8. 　前記回転体と、
    　前記回転体と一体的に回転することによって流体を圧縮するように構成されるインペラと、
    　前記回転体及び前記インペラが収容されたインペラハウジングと、
    　請求項１～請求項６のうちいずれか一項に記載のフォイル軸受と、を備え、
    　前記インペラハウジングは、前記インペラの外周を覆うシュラウド面を備え、
    　前記軸受面に前記回転体からの荷重が作用しない状態での、前記山部における前記バンプフォイルの外周面と前記ハウジングの内周面との間の前記回転体の径方向における距離がＨ１であり、前記径方向における前記インペラと前記シュラウド面との間の隙間の最小値がＨ１よりも大きい、
    　流体機械。
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US20060018574A1 (en) * 2004-07-20 2006-01-26 Honeywell International Inc., Hydrodynamic journal bearing
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