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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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08Centrifugal pumps
    • F04D17/10Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12Multi-stage pumps
    • F04D17/122Multi-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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056Bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C27/00Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/02Sliding-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、L1/600h1>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、「L1/600h」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、「L1/600h」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「L1/600h>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「L1/600h1>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、L1/600h1>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、L1/600h1>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、「L1/600h1>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、L1/600h1>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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