(57)【要約】【課題】回転軸の回転停止時におけるフォイル軸受の逆回転を防止するとともに、回転時における摩擦を低減する。【解決手段】回転軸に取り付けられるフォイル軸受は、カムクラッチ機構を備える。前記カムクラッチ機構は、前記回転軸の外周面に対向する内周面に設けられ、前記回転軸の許容される回転方向に沿って底面が前記内周面から傾斜して深くなる溝部と、前記回転軸の停止時に、前記溝部の傾斜した底面と、前記回転軸の外周面とに押し付けられるロックボールと、前記許容される回転方向での前記回転軸の回転時に、前記溝部から前記ロックボールが収容される収容部と、を有する。【選択図】図２
2020046006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に取り付けられるフォイル軸受であって、
カムクラッチ機構を備え、
前記カムクラッチ機構は、
前記回転軸の外周面に対向する内周面に設けられ、前記回転軸の許容される回転方向に沿って底面が前記内周面から傾斜して深くなる溝部と、
前記回転軸の停止時に、前記溝部の傾斜した底面と、前記回転軸の外周面とに押し付けられるロックボールと、
前記許容される回転方向での前記回転軸の回転時に、前記溝部から前記ロックボールが収容される収容部と、
を有する、フォイル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、フォイル軸受の基本的な構造が開示されている。フォイル軸受は、可撓性を有する薄板（「フォイル」と呼ばれる）で軸受面を構成するものであり、波型のバンプフォイルと平坦なトップフォイルとで構成される。フォイル軸受は、バンプフォイルによって負荷荷重を弾性的に支持し、回転軸とトップフォイルとの間に気体膜を形成することで回転軸を浮上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−９１３６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、フォイル軸受は、逆回転すると、トップフォイルが回転軸に巻きついて破損するおそれがある。逆回転を防止する機構として、一般的なワンウェイクラッチを採用することが考えられるが、正回転時においてワンウェイクラッチによる摩擦が大きくなり、回転の妨げとなる、という問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、回転軸に取り付けられるフォイル軸受が提供される。このフォイル軸受は、カムクラッチ機構を備える。前記カムクラッチ機構は、前記回転軸の外周面に対向する内周面に設けられ、前記回転軸の許容される回転方向に沿って底面が前記内周面から傾斜して深くなる溝部と、前記回転軸の停止時に、前記溝部の傾斜した底面と、前記回転軸の外周面とに押し付けられるロックボールと、前記許容される回転方向での前記回転軸の回転時に、前記溝部から前記ロックボールが収容される収容部と、を有する。
この形態のフォイル軸受によれば、回転軸の回転停止時には、溝部の傾斜した底面と、回転軸の外周面とに押し付けられて、許容される回転方向とは逆向きの回転を防止する。これにより、フォイル軸受の逆回転を防止することができる。一方、許容される回転方向での回転軸の回転時には、ロックボールが収容部に収容されることで、ロックボールが回転軸から離れる。これにより、回転軸の回転時にロックボールが回転軸に接触して摩擦が発生することを抑制することができる。
【０００７】
本発明は、上述したフォイル軸受以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、圧縮装置、モータ等の回転軸にフォイル軸受を備える種々の回転装置の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態の圧縮装置の概略断面図。
【図２】カムクラッチを拡大して示す概略断面図。
【図３】図２のカムクラッチをＡ方向から見た透視図。
【図４】回転停止時におけるカムクラッチ機構の状態を示す説明図。
【図５】低回転時におけるカムクラッチ機構の状態を示す説明図。
【図６】高回転時におけるカムクラッチ機構の状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
図１は、一実施形態の圧縮装置１０の概略断面図である。圧縮装置１０は、いわゆる遠心式電動コンプレッサである。本実施形態において、圧縮装置１０は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック１５０に、圧縮された空気を供給する。
【００１０】
圧縮装置１０は、第１インペラ１１と、モータ３０と、モータ３０を収容するモータハウジング５０と、を備える。圧縮装置１０は、更に、第２インペラ２１と、スラストベアリング４０と、スペーサ４３，４４及びラジアルベアリング４５，４６と、を備える。図１には、圧縮装置１０に加え、圧縮装置１０と接続される第１流路１１０及び第２流路１３０と、燃料電池スタック１５０とが示されている。図１には、相互に略直交するＸＹＺ軸が図示されている。Ｙ軸方向は鉛直方向である。Ｚ軸方向は、モータ３０の備える回転軸３１の軸方向である。なお、図１は、圧縮装置１０の技術的特徴をわかりやすく示すための図であり、各部の寸法を正確に示すものではない。
【００１１】
第１流路１１０は、大気開放口と燃料電池スタック１５０とを接続する。第１流路１１０は、燃料電池スタック１５０へ供給される空気が流れる流路である。第２流路１３０は、燃料電池スタック１５０と大気開放口とを接続する。第２流路１３０は、燃料電池スタック１５０から排出される排気が流れる流路である。
【００１２】
第１インペラ１１は、第１流路１１０に設けられた回転体である。第１インペラ１１は、モータ３０の有する回転軸３１の一方の端部ｅ１に接続され、モータ３０によって回転される。本実施形態では、第１インペラ１１は、第１流路１１０に形成された第１インペラ収容部１５内に配置されている。第１インペラ１１は、回転することにより第１インペラ収容部１５内で空気を圧縮して、燃料電池スタック１５０へ送り出す。第１インペラ１１は、コンプレッサホイールとも呼ばれる。
【００１３】
第２インペラ２１は、第２流路１３０に設けられた回転体である。第２インペラ２１は、回転軸３１の他方の端部ｅ２に接続されている。本実施形態では、第２インペラ２１は、第２流路１３０に形成された第２インペラ収容部２５内に配置されている。第２インペラ２１は、第２流路１３０を流れる排気によって回転されることで、回転軸３１を回転させる。第２インペラ２１は、タービンホイールとも呼ばれる。
【００１４】
モータ３０は、第１インペラ１１を回転させる電動機である。モータ３０は、第１インペラ１１と第２インペラ２１の間に位置し、モータハウジング５０内に収容されている。モータ３０は、回転軸３１と、回転軸３１に取り付けられたロータ３３と、コイルを備えロータ３３の外周面に対向して配置されたステータ３４とを有する。ロータ３３の表面には磁石が設けられており、ロータ３３は、回転軸３１と一体に回転する。ステータ３４は、電力を供給されてロータ３３を回転させる。本実施形態では、回転軸３１は、回転軸３１の径方向に突出するフランジ３２を備えている。
【００１５】
モータ３０は、図示しない制御装置により通電される。制御装置は、燃料電池スタック１５０への発電要求に応じてモータ３０の回転数を制御することで、圧縮装置１０に燃料電池スタック１５０の発電量に応じた圧力を発生させる。回転数は、モータハウジング５０内の第２インペラ２１側に配置された、レゾルバ６０によって検出される。
【００１６】
スラストベアリング４０は、回転軸３１を回転可能に支持し、軸方向に働く力を受け止める空気軸受である。スラストベアリング４０には、フォイル軸受が用いられる。スラストベアリング４０は、回転軸３１が挿通された回転子４１と、モータハウジング５０に固定された固定子４２とを備える。図１に示すように、スラストベアリング４０は、回転軸３１のフランジ３２と第１インペラ１１の間に配置されている。回転子４１は、第１インペラ１１の背面と回転軸３１のフランジ３２とに接触しており、回転軸３１と一体に回転する。
【００１７】
ラジアルベアリング４５，４６は、回転軸３１をスペーサ４３，４４を介して回転可能に支持し、軸方向に垂直な方向に働く力を受け止める空気軸受である。ラジアルベアリング４５，４６にも、フォイル軸受が用いられる。ラジアルベアリング４５，４６には回転軸３１と一体に回転するスペーサ４３，４４を介して回転軸３１が挿通されている。具体的には、ラジアルベアリング４５は、モータハウジング５０内における第１インペラ１１側に配置され、モータハウジング５０に固定されている。ラジアルベアリング４６は、モータハウジング５０内における第２インペラ２１側に配置され、モータハウジング５０に固定されている。
【００１８】
一方のラジアルベアリング４５とスラストベアリング４０との間において、回転軸３１のフランジ３２の外周にカムクラッチ４７が配置され、モータハウジング５０に固定されている。他方のラジアルベアリング４６とレゾルバ６０との間において、スペーサ４４の外周にカムクラッチ４８が配置され、モータハウジング５０に固定されている。カムクラッチ４７，４８は、許容される向きの回転軸３１の回転（「正回転」と呼ぶ）の方向とは逆向きの回転（「逆回転」と呼ぶ）を防止するワンウェイクラッチである。なお、カムクラッチ４７，４８についてはさらに後述する。
【００１９】
モータハウジング５０は、内部に、モータ３０と、ラジアルベアリング４５，４６と、カムクラッチ４７，４８を収容し、回転軸３１が貫通する筐体である。モータハウジング５０の図１における−Ｚ方向側においては、回転軸３１の一方の端部ｅ１が第１インペラ収容部１５に突出している。モータハウジング５０の図１における＋Ｚ方向側においては、回転軸３１の他方の端部ｅ２が第２インペラ収容部２５に突出している。モータハウジング５０には、モータハウジング５０内に向かって突出する環状の凸部５２が形成されている。環状の凸部５２の内側には、ラジアルベアリング４５，４６およびカムクラッチ４７，４８が嵌め込まれて固定されている。モータハウジング５０は、ベアリングハウジングとも呼ばれる。
【００２０】
モータハウジング５０の壁部５１のうち、モータ３０の備えるステータ３４に対向する部分に、冷媒流路５９が形成されている。冷媒流路５９には、図示しない循環ポンプにより、冷媒が循環される。冷媒は例えば水である。冷媒流路５９は、モータハウジング５０の内部に圧入されたステータ３４を冷却する。
【００２１】
図２は、カムクラッチ４７を拡大して示す概略断面図である。図２は、図１において、カムクラッチ４７を−Ｚ方向に向かって見た状態を示している。また、図３は図２のカムクラッチ４７をＡ方向から見た透視図である。なお、図２は、図を見やすくするため断面を示すハッチングを省略している。
【００２２】
カムクラッチ４７は、回転軸３１のフランジ３２の外周面３２１に対向する内周面４７２を有する円環状のクラッチハウジング４７１を有している。クラッチハウジング４７１には、内周面４７２の鉛直方向（Ｚ方向）上部にカムクラッチ機構４７３が設けられている。
【００２３】
カムクラッチ機構４７３は、クラッチハウジング４７１の内周側の鉛直方向上部に設けられた溝部４７４，４７５および収容部４７６と、溝部４７４，４７５および収容部４７６のいずれかに配置されるロックボール４７７と、ロックボール４７７に付勢力を与えるバネ４７８と、から構成されている。第１溝部４７４は、第２溝部４７５の一端部に連通し、第２溝部４７５から離れるに従って内周面４７２に向かって徐々に浅くなる構造を有している。収容部４７６は、第１溝部４７４とは反対側の第２溝部４７５の一端部に連通し、内周面４７２よりも外周側のクラッチハウジング４７１の内部に設けられた空間で構成されている。
【００２４】
第１溝部４７４には、回転軸３１のフランジ３２の回転に応じて、クラッチハウジング４７１の内周面４７２とフランジ３２の外周面３２１との間を流れる空気が、第１溝部４７４の底面の傾斜に沿って導入される。これにより、第１溝部４７４から第２溝部４７５へ向けた空気の流れが発生する。
【００２５】
バネ４７８は、一端が収容部４７６の第２溝部４７５とは反対側の底部に接し、他端がロックボール４７７に接するように配置されている。バネ４７８は、ロックボール４７７を第１溝部４７４の傾斜した底面及びフランジ３２の外周面３２１に押し付ける付勢力を与える。
【００２６】
カムクラッチ機構４７３は上記の構造によって、以下で説明するように動作する。
【００２７】
図４は、回転停止時におけるカムクラッチ機構４７３の状態を示す説明図である。なお、図４は、図２と同様に、断面を示すハッチングを省略している。回転停止時においては、バネ４７８の付勢力によってロックボール４７７が第１溝部４７４の傾斜した底面及びフランジ３２の外周面３２１に押し付けられる。これにより、反時計回りの回転（「逆回転」とも呼ぶ）が防止される。その理由は、以下の通りである。すなわち、逆回転方向のトルクが回転軸３１にかかって逆回転しかけると、ロックボール４７７が傾斜した底面およびフランジ３２の外周面３２１により強く押し付けられ、ロックボール４７７が外周面３２１をより強く押圧することになる。これにより、逆回転が防止されることになる。
【００２８】
図５は、低回転時におけるカムクラッチ機構４７３の状態を示す説明図である。なお、図５も、図２と同様に、断面を示すハッチングを省略している。低回転時においては、フランジ３２の外周面３２１とロックボール４７７との間の摩擦力および溝部４７４，４７５に導入される空気の力によって、ロックボール４７７が第２溝部４７５へ移動する。これにより、回転軸３１の許容される回転方向（本例では時計回り）の回転（「正回転」とも呼ぶ）が可能な状態となる。
【００２９】
図６は、高回転時におけるカムクラッチ機構４７３の状態を示す説明図である。なお、図６も、図２と同様に、断面を示すハッチングを省略している。回転が高くなるにつれて、第１溝部４７４から第２溝部４７５へ向けて導入される空気流量が増大すると、それに応じてロックボール４７７を収容部４７６側へ押す力が増大する。高回転時には、バネ４７８の付勢力よりも大きくロックボール４７７を収容部４７６まで移動させるほどに、バネ４７８を圧縮可能な空気流量が発生し、ロックボール４７７が収容部４７６に収容される。これにより、ロックボール４７７のフランジ３２への接触による摩擦が無くなるため、カムクラッチ機構４７３による摩擦が低減された状態で、回転軸３１が高回転可能となる。
【００３０】
従って、カムクラッチ４７は、カムクラッチ機構４７３によって、回転停止時における回転軸３１の逆回転を防止できる。また、高回転時におけるカムクラッチ機構４７３の摩擦を低減することにより、高回転時における回転の妨げとなる摩擦を低減することができる。
【００３１】
なお、ラジアルベアリング４６とレゾルバ６０の間に設けられたカムクラッチ４８もカムクラッチ４７と同様であり、カムクラッチ機構４７３によって、回転停止時における回転軸３１の逆回転を防止できる。また、高回転時におけるカムクラッチ機構４７３の摩擦を低減することにより、高回転時における回転の妨げとなる摩擦を低減することができる。
【００３２】
以上説明したように、カムクラッチ４７，４８は、回転停止時において、カムクラッチ機構４７３によって回転軸３１の逆回転を防止することができるので、ラジアルベアリング４５，４６の逆回転を防止することができる。これにより、フォイル軸受で構成されたラジアルベアリング４５，４６の逆回転による破損を抑制することができる。また、カムクラッチ４７，４８は、高回転時において、カムクラッチ機構４７３の摩擦を低減して回転させることが可能である。
【００３３】
なお、カムクラッチ４７において回転軸３１のフランジ３２が「回転軸」に相当し、カムクラッチ４８において回転軸３１および回転軸３１と一体に回転するスペーサ４４が「回転軸」に相当する。
【００３４】
Ｂ．他の実施形態：
Ｂ１．他の実施形態１：
上記実施形態では、モータ３０の回転軸３１の両端側に配置されたラジアルベアリング４５，４６のそれぞれに対してカムクラッチ４７，４８が配置された構成を例に説明した。しかしながら、これに限定されるものではなく、いずれか一方のみにカムクラッチが配置された構成としてもよい。
【００３５】
Ｂ２．他の実施形態２：
上記実施形態では、カムクラッチ機構４７３は、バネ４７８によってロックボール４７７を第１溝部４７４の傾斜した底面及びフランジ３２の外周面３２１に押し付ける付勢力を与える構成を例に説明した。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、図２において、溝部４７４，４７５及び収容部４７６を、クラッチハウジング４７１の内周面４７２の水平位置よりも高く、鉛直方向上位置よりも低い位置に配置して、ロックボール４７７にかかる重力を付勢力として利用する構造としてもよい。
【００３６】
Ｂ３．他の実施形態３：
上記実施形態では、フォイル軸受が用いられたラジアルベアリング４５，４６を備えた圧縮装置１０を例に説明したが、これに限定されるものではない。モータ等の回転軸にフォイル軸受けを備える種々の回転装置において、本願の発明を適用可能である。
【００３７】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組合せを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…圧縮装置、１１…第１インペラ、１５…第１インペラ収容部、２１…第２インペラ、２５…第２インペラ収容部、３０…モータ、３１…回転軸、３２…フランジ、３３…ロータ、３４…ステータ、４０…スラストベアリング、４１…回転子、４２…固定子、４３，４４…スペーサ、４５，４６…ラジアルベアリング、４７，４８…カムクラッチ、５０…モータハウジング、５１…壁部、５２…凸部、５９…冷媒流路、６０…レゾルバ、１１０…第１流路、１３０…第２流路、１５０…燃料電池スタック、３２１…外周面、４７１…クラッチハウジング、４７２…内周面、４７３…カムクラッチ機構、４７４，４７５…溝部、４７６…収容部、４７７…ロックボール、４７８…バネ、ｅ１，ｅ２…端部
【図１】
2020046006.tif 000003
【図２】
2020046006.tif 000004
【図３】
2020046006.tif 000005
【図４】
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【図５】
2020046006.tif 000007
【図６】
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