(57)【要約】      （修正有）【課題】摩擦力の低減と高い冷却効果を図れるフォイル軸受を提供する。【解決手段】本発明は、回転体の回転方向Ａに配置された複数のトップフォイル２０を備え、トップフォイル２０は、回転体に対向する対向面に、回転方向Ａの基端２０ａから先端２０ｂに亘って延在する溝状の回転方向流路３１が形成され、回転方向流路３１は、基端２０ａに形成されて内部に気体を流入させる流入口３２と、先端２０ｂに形成されて内部の気体を流出させる流出口３３と、を有していることを特徴とする。【選択図】図５
2020139566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転方向に配置された複数のトップフォイルを備え、
前記トップフォイルは、前記回転体に対向する対向面に、前記回転方向の基端から先端に亘って延在する溝状の回転方向流路が形成され、
前記回転方向流路は、
前記基端に形成されて内部に気体を流入させる流入口と、
前記先端に形成されて内部の気体を流出させる流出口と、を有していることを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
前記回転方向流路は、前記流入口から前記流出口に向って次第に溝幅が狭くなっていることを特徴とする請求項１に記載のフォイル軸受。
【請求項３】
前記流出口は、前記流入口よりも溝幅が小さくなっていることを特徴とする請求項２に記載のフォイル軸受。
【請求項４】
前記回転体がスラスト方向から支持され、
前記トップフォイルの先端側において、前記回転方向流路は、前記トップフォイルの外周側寄りに位置していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のフォイル軸受。
【請求項５】
前記回転方向流路の外側面は、回転軸を中心に周方向に延在し、かつ、前記基端から前記先端にかけて前記回転軸との距離が一定に形成されて平面視で円弧状に形成され、
前記回転方向流路の内側面は、前記回転軸を中心に周方向に延在し、かつ、前記基端から前記先端に向うに連れて外周側に位置し、平面視で湾曲状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のフォイル軸受。
【請求項６】
前記回転体がラジアル方向から支持され、
前記トップフォイルの先端側において、前記回転方向流路は、前記トップフォイルの幅方向の中央部寄りに位置していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のフォイル軸受。
【請求項７】
前記回転方向流路の下面は、前記基端から前記先端に向うにつれて上方に位置し、
前記回転方向流路の上面は、前記基端から前記先端に向うにつれて上方に位置していることを特徴とする請求項６に記載のフォイル軸受。
【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】
ヘリウム液化機、カラーコピー機用ポリゴンミラー、マクロガスタービンなど、超高速で回転する機器に使用される軸受として、フォイル軸受が挙げられる。フォイル軸受は、高圧の気体膜を潤滑流体とする動圧軸受であり、薄板状のトップフォイルを備えている。
また、トップフォイルは、軸受本体などに固定される固定部と、その固定部から回転体の回転方向に延出する軸受部と、を有している。
軸受部は、回転体が回転していない場合又は回転体が低速で回転している場合、回転体に接触し回転体を支持している。一方で、回転体が高速で回転し、回転体と軸受部との間に引き込まれる気体が多くなると、回転体と軸受部との間に高圧の気体膜が介在し、軸受部の摩擦力が低減する。
【０００３】
また、下記特許文献のトップフォイルは、固定部と軸受部との間に、回転方向に向うに連れて次第に回転体に近接するように傾斜する傾斜部を有している。このトップフォイルによれば、傾斜部と回転体との間の隙間がくさび状となり、固定部から軸受部に向う気体が圧縮されて高圧となる。よって、回転体が所定の回転数に到達しなくても、軸受部と回転体との間に高圧の気体膜が介在し、軸受部の摩擦力が低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１９−１５３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１において、回転体の回転が低速であっても回転体との間に高圧の気体膜を介在させることができ、トップフォイルの下にあるバンプフォイルの効果で熱エネルギーを冷却する効果も備えているが、回転体が回転していない場合又は回転体が低速で回転している場合には、トップフォイルが回転体に接触して回転体を支持しているため、トップフォイルと回転体の接触によって発生する熱エネルギーの方が大きく、軸受部の熱が上昇する可能性がある。
また、トップフォイルと回転体の接触によって表面が摩耗し、摩耗粉が発生する可能性がある。トップフォイルと回転体との間から摩耗粉が排出されないと、トップフォイルや回転体の接触部で摩耗粉に起因する焼き付きが起こり、フォイル軸受の効果が低下する可能性がある。
以上から、耐久性の向上の観点から、冷却効果の高く、かつ、焼き付きを低減できるフォイル軸受の開発が望まれている。
【０００６】
そこで、本発明は、前記する背景に鑑みて創案された発明であって、高い冷却効果を図りつつ、焼き付きを低減できるフォイル軸受を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明のフォイル軸受は、回転体の回転方向に配置された複数のトップフォイルを備え、前記トップフォイルは、前記回転体に対向する対向面に、前記回転方向の基端から先端に亘って延在する溝状の回転方向流路が形成され、前記回転方向流路は、前記基端に形成されて内部に気体を流入させる流入口と、前記先端に形成されて内部の気体を流出させる流出口と、を有していることを構成とする。
【０００８】
前記発明によれば、回転方向流路の形成によりトップフォイルの表面積が増加しているため、トップフォイルが冷却され易い。また、回転方向流路に沿って流れトップフォイルから熱を回収した気体は、回転方向流路内に留まることなく流出口から排出される。よって、トップフォイルは、新規な気体により継続して冷却されるようになり、冷却効果が向上する。
また、回転方向流路の形成により、トップフォイルと回転体との接触する面積が減少する。また、動圧発生効果も促進される。このため、摩耗粉が減少するとともに摩擦熱の発生も抑制される。
また、流出口が形成されていることから、トップフォイルと回転体との接触によって発生する摩耗粉が流出口から排出される。このため、トップフォイルや回転体で摩耗粉に起因する焼き付きが低減し、メンテナンス性が向上する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高い冷却効果を図りつつ、焼き付きが低減するため、耐久性が向上したフォイル軸受を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一実施形態に係るマイクロガスタービンを回転軸方向に切った断面図である。
【図２】第一実施形態に係るフォイル軸受を斜視した斜視図であり、一部のトップフォイルとバンプフォイルを分離させた状態の斜視図である。
【図３】第一実施形態に係るフォイル軸受を平面視した平面図であり、一部のトップフォイルとバンプフォイルを取り外した状態の平面図である。
【図４】（ａ）はタービンの非回転時においてフォイル軸受の状態を示す模式図であり、（ｂ）はタービンの回転時においてフォイル軸受の状態を示す模式図である。
【図５】（ａ）は第一実施形態に係るトップフォイルを平面視した平面図であり、（ｂ）は図５（ａ）のＶＢ−ＶＢ線矢視端面図である。
【図６】第二実施形態に係るマイクロガスタービンを、回転軸を法線とする平面で切った断面図である。
【図７】（ａ）は第二実施形態に係るトップフォイルを回転軸方向から視た図であり、（ｂ）は図７（ａ）のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線矢視端面図である。
【図８】（ａ）は第一変形例に係るトップフォイルを平面視した平面図であり、（ｂ）は図８（ａ）のＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線矢視端面図である。
【図９】第二変形例に係るトップフォイルを幅方向に切った端面図である。
【図１０】第二変形例に係るトップフォイルを幅方向に切った端面図である。
【図１１】第四変形例に係るトップフォイルを平面視した平面図である。
【図１２】実施例１に係るトップフォイルを平面視した平面図である。
【図１３】実施例２に係るトップフォイルを平面視した平面図である。
【図１４】ディンプル領域の一部を拡大した拡大図である。
【図１５】比較例２に係るトップフォイルを平面視した平面図である。
【図１６】実施例に係る実験装置の全体構成を示す模式図である
【図１７】実施例１と実施例２と比較例１と比較例２における回転数と摩擦係数との相関関係を示すグラフである。
【図１８】実施例１と実施例２と比較例１と比較例２における回転数と温度上昇量との相関関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。実施形態では、フォイル軸受を備えたマイクロガスタービンを例に挙げて説明する。また、第一実施形態ではスラストフォイル軸受に適用した例を説明し、第二実施形態では、ラジアルフォイル軸受に適用した例を説明する。
【００１２】
（第一実施形態）
図１に示すように、マイクロガスタービン１００は、上下に貫通する軸孔１０１が形成されたケーシング１０２と、軸孔１０１内に配置された回転軸１０３と、回転軸１０３の上側に連続するタービン（回転体）１０４と、高温・高圧のガスを生成する燃焼器（不図示）と、回転軸１０３の下側に連続する発電機（不図示）と、タービン１０４の下方に配置されたフォイル軸受１と、を備えている。
タービン１０４は、図示しない羽根を有しており、燃焼器から高温・高圧のガスが供給されて図１の矢印Ａの方向（平面視した場合に左回り方向）に回転する。
【００１３】
ケーシング１０２の軸孔１０１の上部には、上開口部１０１ａが形成されている。
フォイル軸受１は、上開口部１０１ａ内に固定され、タービン１０４を下方から支持している。
図２に示すように、フォイル軸受１は、中央部に上下方向に貫通する中央孔２ａが形成された環状の軸受本体２と、軸受本体２の上面２ｂに固定された複数のスペーサ３と、軸受本体２の上面２ｂに配置された４つのバンプフォイル１０と、バンプフォイル１０の上方に重ねられた４つのトップフォイル２０と、を備えている。
なお、バンプフォイル１０及びトップフォイル２０の個数は、本実施形態において４個となっているが、本発明は５個や８個でもよく、特に限定されない。
【００１４】
図１に示すように、軸受本体２は、ケーシング１０２の上開口部１０１ａ内に配置されており、軸受本体２の中央孔２ａ内を回転軸１０３が挿通している。
軸受本体２の外周面には、径方向内側に窪む被係合部２ｃが形成されている。この被係合部２ｃには、上開口部１０１ａ内に設けられた突起１０６が係合し、フォイル軸受１が上方に抜けないように固定されている。
なお、実施形態の軸受本体２は、ケーシング１０２に固定されるために被係合部２ｃを備えているが、本発明は、被係合部２ｃを有していない軸受本体２であってもよい。つまり、本発明は、上記した固定方法以外の方法で固定されてもよい。
【００１５】
図２、図３に示すように、スペーサ３は、軸受本体２の上面２ｂに固定された直方体状の部品である。スペーサ３は、軸受本体２の径方向にスペーサ３の長手方向を沿わせるように配置されている。スペーサ３は、バンプフォイル１０を固定するための４つの第一スペーサ４と、トップフォイル２０を固定するための４つの第二スペーサ５と、を備えている。
４つの第一スペーサ４は９０°間隔で配置されている。同様に４つの第二スペーサ５も９０°間隔で配置されている。また、第一スペーサ４は、第二スペーサ５から回転方向Ａ側に約２０°ずれて配置されている。
【００１６】
バンプフォイル１０は、回転軸Ｏを中心に周方向に延在し、円弧状に形成されている。
バンプフォイル１０の周方向の長さは、周方向の一端から周方向の他端の角度θ１が６０°となるように形成されている（図３参照）。
図４（ａ）に示すように、バンプフォイル１０は、第一スペーサ４に固定される固定部１１と、固定部１１から回転方向Ａへ延出する波板部１２と、を備えている。
波板部１２は、トップフォイル２０の後述する軸受部２２を支持する部位である。
波板部１２は、第一スペーサ４の上面よりも上方に突出する上波部１３と、第一スペーサ４の上面よりも下方に突出する下波部１４と、を有し、この上波部１３と下波部１４とが回転方向Ａに交互に配置されている。
なお、本実施形態のバンプフォイル１０は、第一スペーサ４に固定される固定部１１と、固定部１１から回転方向Ａへ延出する波板部１２とを備えた形状であるが、トップフォイル２０の軸受部２２を支持できればよく、特に限定されない。
また、後述するトップフォイル２０は、所定の剛性を有するように形成されている場合（回転体１０４を支持できるばね特性を有している場合）、本発明は、バンプフォイル１０を備えていなくてもよい。
【００１７】
図３に示すように、トップフォイル２０は、回転軸Ｏを中心に周方向に延在し、円弧状に形成されている。トップフォイル２０の周方向の長さは、周方向の一端から周方向の他端の角度θ１が８０°となるように形成されている（図３参照）。よって、トップフォイル２０は、周方向に隣り合うトップフォイル２０と離間しており、各トップフォイル２０間には、隙間Ｓ２が形成されている。
【００１８】
トップフォイル２０は、リン青銅、ステンレス、インコネルなどで形成されている。トップフォイル２０の厚さＬ１（図５（ｂ）参照）は、１０μｍ〜１０００μｍ程度の金属製薄板（薄膜）であり、可撓性を備えている。
トップフォイル２０は、第二スペーサ５に固定される固定部２１と、波板部１２上に載置される軸受部２２と、固定部２１と軸受部２２との間に介在する傾斜部２３と、を備えている。
【００１９】
軸受部２２は、波板部１２によって下方から支持されており、軸受部２２の上面（以下、軸受面２２ａという）が平坦面となっている。また、タービン１０４が回転していない場合、軸受面２２ａは、タービン１０４の底面１０５に当接している。
【００２０】
傾斜部２３は、回転方向Ａに向うに連れて次第に上方に位置するように傾斜している。このため、タービン１０４の底面１０５と傾斜部２３との間に形成された隙間Ｓ１は、回転方向Ａに向うに連れて次第に幅狭（くさび状）となっている。
【００２１】
図５（ａ）に示すように、トップフォイル２０の上面には、回転方向Ａに延在する溝状の回転方向流路３１が形成されている。
回転方向流路３１は、トップフォイル２０の基端２０ａから先端２０ｂに亘って延在している。よって、回転方向流路３１は、トップフォイル２０の基端２０ａに位置し内部に気体を流入させる流入口３２と、トップフォイル２０の先端２０ｂに位置し内部の気体を流出させる流出口３３と、を備えている。
【００２２】
図５（ｂ）に示すように、回転方向流路３１を回転軸Ｏに沿って切った断面形状は、矩形状に形成されている。よって、回転方向流路３１は、内側面３４と、外側面３５と、底面３６とに囲まれて形成される。また、内側面３４及び外側面３５は、底面３６に対して垂直に形成されている。
図５（ａ）に示すように、内側面３４と回転軸Ｏとの距離ｒ１は、基端２０ａから先端２０ｂに向うにつれて拡大している。言い換えると、内側面３４は、基端２０ａから先端２０ｂに向うに連れて外周側に位置するように湾曲している。
一方で、外側面３５と回転軸Ｏとの距離ｒ２は、基端２０ａから先端２０ｂにかけて一定となっている。よって、外側面３５は、回転軸Ｏを中心に周方向に延在し、平面視で円弧状となっている。
以上から、回転方向流路３１の溝幅（内側面３４と外側面３５との距離Ｌ３）は、基端２０ａから先端２０ｂに向うに連れて次第に狭くなるように形成されている。また、流出口３３の溝幅は、流入口３２の溝幅よりも狭く形成されている。そして、回転方向流路３１は、トップフォイル２０の先端２０ｂ側において外周寄りに位置し、流出口３３もトップフォイル２０の外周寄りに位置している。
【００２３】
回転方向流路３１の窪み量Ｌ２は、数μｍから数十μｍ程度であり、具体的には１〜１００μｍ程度である（図５（ｂ）参照）。また、底面３６は、基端２０ａから先端２０ｂに亘って平坦に形成されている。
なお、上記した回転方向流路３１の窪み量Ｌ２は、トップフォイル２０の厚さＬ１が１０μｍ〜１０００μｍ程度の場合であり、トップフォイル２０の厚さＬ１が厚い場合には、回転方向流路３１の窪み量Ｌ２を上記値よりも大きくしてもよい。つまり、本発明においては、回転方向流路３１の窪み量Ｌ２は特に限定されない。
【００２４】
次にフォイル軸受１の動作について説明する。
タービン１０４が回転すると、タービン１０４の周囲の気体がタービン１０４とトップフォイル２０との間に引き込まれる。また、タービン１０４の回転が高速になると、タービン１０４とトップフォイル２０との間に引き込まれる気体の量も多くなる。
そして、タービン１０４の底面１０５と軸受面２２ａとの間に引き込まれた気体の圧力がバンプフォイル１０の波板部１２の剛性を上回ると、図４（ｂ）に示すように、軸受部２２が下側に押し潰される。これにより、タービン１０４と軸受面２２ａの間に潤滑流体（高圧の気体膜）が介在し、タービン１０４の回転が円滑となる。
【００２５】
また、本実施形態によれば、トップフォイル２０の固定部２１や傾斜部２３の上方に引き込まれた気体は、くさび状の隙間Ｓ１を通過する際に圧縮されて圧力が高くなる。
さらには、トップフォイル２０間の隙間Ｓ２（図４参照）の気体は、流入口３２を介して回転方向流路３１内に流入する。そして、回転方向流路３１に沿って流れる気体は、圧縮されて圧力が高くなる。
以上から、タービン１０４と軸受面２２ａとの間には、くさび状の隙間Ｓ１と回転方向流路３１により高圧化した気体が供給される。このため、タービン１０４と軸受面２２ａとの間には、潤滑流体（高圧の気体膜）が生成され易くなり、軸受面２２ａの摩擦力が低減する。
【００２６】
トップフォイル２０は、回転方向流路３１が形成され、タービン１０４と直接的に接触する面積が減少している。また、動圧発生効果も促進される。このため、摩耗粉の発生が抑制されるとともに、摩擦熱の発生も抑制される。
更に、回転方向流路３１に沿って流れる気体は、トップフォイル２０から熱を回収するため、トップフォイル２０が冷却される。そして、トップフォイル２０から熱を回収した気体は、回転方向流路３１内に留まることなく流出口３３から排出される。よって、トップフォイル２０は、新規な気体により継続して冷却されるため、冷却効果が高い。
【００２７】
また、トップフォイル２０の先端２０ｂにおいて、回転方向流路３１は、トップフォイル２０の外周寄りに位置し、トップフォイル２０の外周寄りを積極的に冷却している。ここで、トップフォイル２０の軸受面２２ａにおいて、内周側よりも外周側の方が接触するタービン１０４の回転速度が高いため、内周側よりも外周側の方の温度が高い。
よって、本実施形態では、トップフォイル２０で比較的温度が高くなっている部位が積極的に冷却され、タービン１０４がトップフォイル２０に焼き付くことが抑制される。
【００２８】
また、回転方向流路３１に流出口３３が形成されていることから、トップフォイル２０とタービン１０４との接触により発生する摩耗粉が流出口３３から排出される。このため、トップフォイル２０とタービン１０４との接触部において、摩耗粉の焼き付きが低減し、メンテナンス性が向上する。
【００２９】
また、回転方向流路３１を囲む内側面３４及び外側面３５は、曲面状に形成されており、凹凸を有していない。底面３６は、平坦に形成され、凹凸を有していない。よって、内側面３４、外側面３５、並びに底面３６に沿って流れる気体は、円滑に流れ易く、減速し難い。なお、気体の減速は、冷却効果の低下の原因となる。以上から、冷却効果の低下を抑制しつつ、タービン１０４の底面１０５と軸受面２２ａとの間に供給される気体が低圧化することも抑制できる。
以上から、第一実施形態によれば、摩擦力が低減するとともに冷却効果が向上し、さらに焼き付きが低減するため、フォイル軸受１の耐久性が格段に向上する。
【００３０】
（第二実施形態）
図６に示すように、第二実施形態のフォイル軸受４１は、マイクロガスタービン１００の回転軸１０３を支持するラジアルフォイル軸受である。
フォイル軸受４１は、ケーシング１０２の軸孔１０１の内周面に固定された環状の軸受本体４２と、軸受本体４２の内周面４２ａに固定された複数のスペーサ４３と、軸受本体４２の内周面４２ａに配置された４つのバンプフォイル５０と、バンプフォイル５０の内周側に重ねられた４つのトップフォイル６０と、を備えている。
また、図７（ａ）に示すように、トップフォイル６０は、回転軸１０３側から視て矩形状に形成され、上下方向よりも回転方向に長くなっている。
トップフォイル６０の内周面には、回転方向Ａに延在する溝状の回転方向流路７１が形成されている。
【００３１】
回転方向流路７１は、トップフォイル６０の基端６０ａから先端６０ｂに亘って延在している。よって、回転方向流路７１は、トップフォイル６０の基端６０ａに位置し内部に気体を流入させる流入口７２と、トップフォイル６０の先端６０ｂに位置し内部の気体を流出させる流出口７３と、を備えている。
【００３２】
図７（ｂ）に示すように、回転方向流路７１は、下面７４と、上面７５と、外周面７６とに囲まれて形成される。なお、下面７４及び上面７５は、外周面７６に対して垂直に形成されている。
図７（ａ）に示すように、下面７４は、基端６０ａから先端６０ｂに向うに連れて上方に位置している。一方で、上面７５は、基端６０ａから先端６０ｂに向うに連れて下方に位置している。よって、下面７４及び上面７５は、回転方向Ａに向うに連れて互いに近接している。
以上から、回転方向流路７１の溝幅（下面７４と上面７５との距離）は、基端６０ａから先端６０ｂに向うに連れて狭く形成されている。また、流出口７３の溝幅は、流入口７２の溝幅よりも狭く形成されている。そして、回転方向流路７１は、トップフォイル６０の先端６０ｂ側において上下方向の中央部に位置し、流出口７３もトップフォイル６０の上下方向の中央部に位置している。
【００３３】
上記したフォイル軸受４１によれば、回転軸１０３が回転すると、トップフォイル６０間の隙間の気体は、流入口７２を介して回転方向流路７１内に流入し、回転方向流路７１に沿って流れる過程で圧縮されて圧力が高くなる。
よって、回転軸１０３の外周面１０３ａとトップフォイル６０との間には、回転方向流路７１により高圧化した気体が供給される。このため、回転軸１０３とトップフォイル６０との間には、潤滑流体（高圧の気体膜）が生成され易くなり、トップフォイル６０の摩擦力が低減する。
【００３４】
また、回転方向流路７１に沿って流れる気体は、トップフォイル６０から熱を回収し、トップフォイル６０が冷却される。そして、トップフォイル６０から熱を回収した気体は、回転方向流路７１内に留まることなく流出口７３から排出される。よって、トップフォイル６０は、新規な気体により継続して冷却され、冷却効果が高い。
【００３５】
また、図７（ａ）に示すように、トップフォイル６０の先端６０ｂ側において、回転方向流路７１は、トップフォイル６０の上下方向の中央部に位置し、その中央部を積極的に冷却している。
ここで、トップフォイル６０の上下方向の中央部は、トップフォイル６０の上方空間や下方空間と接触しておらず、熱が逃げ難くなっている。よって、回転方向流路７１は、トップフォイル６０で比較的温度が高くなっている部位が積極的に冷却しており、タービン１０４がトップフォイル２０に焼き付くことが抑制される。
さらに、トップフォイル６０の上下方向の中央部は、回転方向流路７１によって回転軸１０３との接触する面積が減少している。さらに動圧発生効果も促進される。このため、摩耗粉の発生が抑制されるとともに、摩擦熱の発生も抑制される。
【００３６】
また、流出口７３が形成されていることから、回転体１０４との接触により発生するトップフォイル６０の摩耗粉が流出口７３から排出されるため、トップフォイル６０と回転体１０４との接触部において摩耗粉の焼き付きが低減し、メンテナンス性が向上する。
【００３７】
また、回転方向流路７１の下面７４及び上面７５は、曲面状に形成され、凹凸を有していないため、下面７４及び上面７５に沿って流れる気体が円滑に流れ易く、減速し難い。
なお、上記したが、気体の減速は、冷却効果の低下の原因となる。以上から、冷却効果の低下を抑制しつつ、回転軸１０３の外周面１０３ａとトップフォイル６０との間に供給される気体が低圧化することも抑制できる。
以上、第二実施形態によれば、摩擦力が低減するとともに冷却効果が向上し、さらに焼き付きが低減するため、フォイル軸受４１の耐久性が向上する。
【００３８】
以上、各実施形態のフォイル軸受１，４１について説明したが、本発明は上記した例に限定されない。
第一実施形態では、トップフォイル２０の先端２０ｂ側において、回転方向流路３１がトップフォイル２０の外周側に位置するようになっているが、内周側に位置するようにしてもよい（図８（ａ）参照）。
または、特に図示しないが、トップフォイル２０の先端２０ｂ側において回転方向流路３１がトップフォイル２０の中央部に位置するようにしてもよい。
同様に、第二実施形態では、トップフォイル６０の先端６０ｂ側において、回転方向流路７１がトップフォイル６０の上下方向の中央部に位置するようになっているが、上側又は下側に位置するようにしてもよい。
【００３９】
実施形態の回転方向流路３１、７１を構成する両側面（内側面３４と外側面３５、又は下面７４と上面７５）は、円弧状（曲線状）に形成されているが、本発明においては他の形状であってもよい。例えば、図８（ａ）に示すように、回転方向流路３１Ａを挟む内側面３４Ａや外側面３５Ａが波形であってもよい。この内側面３４Ａや外側面３５Ａであれば、回転方向流路３１Ａを流れる気体とトップフォイル２０Ａとの接触面積が増加し、冷却効果が増大する。また、円弧状や波形以外に、直線状であってもよい。
【００４０】
実施形態の回転方向流路３１、７１を構成する両側面（内側面３４と外側面３５、又は下面７４と上面７５）は、底面３６や外周面７６に対し垂直となるように形成されているが、本発明においては他の形状であってもよい。
例えば、図９に示すトップフォイル２０Ｂのように、内側面３４Ｂ及び外側面３５Ｂが底面３６Ｂから上方に向うに連れて互いに近接するように傾斜する回転方向流路３１Ｂであってもよい。
また、図１０に示すトップフォイル２０Ｃのように、内側面３４Ｃ及び外側面３５Ｃが底面３６Ｃから上方に向うに連れて互いに離間するように傾斜する回転方向流路３１Ｃであってもよい。
また、特に図示しないが、両側面（内側面３４と外側面３５、又は下面７４と上面７５）は、直線状に限らず、Ｃ字状に形成された曲面であってもよく、本発明において特に限定されない。
【００４１】
回転方向流路３１，７１の下側又は外側を囲む面（底面３６又は外周面７６）に関し、図８（ｂ）に示すように、波形状の底面３６Ａであってもよい。これによれば、回転方向流路３１Ａを流れる気体とトップフォイル２０Ａとの接触面積が増加し、冷却効果が増大する。
【００４２】
また、第一実施形態において回転方向流路３１の深さＬ２（図５（ｂ）参照）は、トップフォイル２０の基端２０ａから先端２０ｂまで一定となっているが、図８（ｂ）に示すように、底面３６Ａの一部に突出部３７を設け、流出口３３Ａが小さくなるようにしてもよい。これによれば、回転方向流路３１Ａを流れる気体は、流出口３３Ａから流出し難くなり、圧力がさらに高まるようになる。
【００４３】
若しくは、回転方向流路の深さＬ２（図５（ｂ）参照）を、基端側から先端側に向けて次第に浅くなるように形成したり、若しくは、基端側から先端側に向けて次第に深くなるように形成したりして、底面が傾斜するようにしてもよい。
【００４４】
また、実施形態においては、流出口の溝幅は流入口の溝幅よりも狭く形成されているが本発明はこれに限定されない。例えば、図１１に示すトップフォイル６０Ａのように、回転方向流路７１Ａの一部に溝幅が次第に狭くなる領域が形成されていればよく、この例によれば、その領域内の気圧を高めることができ、摩擦力の低減を図れるからである。
つまり、本発明においては、流出口７３Ａの溝幅が流入口７２Ａの溝幅より広く形成されているものであってもよい。
【００４５】
また、トップフォイルについて、回転方向流路が形成された領域以外にディンプル（窪み）を形成してもよい。これによれば、回転方向流路以外の部位においても冷却効果が向上する。また、フォイル軸受は複数のトップフォイルを備えているが、その複数のトップフォイルの回転方向流路が全て同一形状でなくてもよい。
また、スラストフォイル軸受の例として、第１実施形態のトップフォイル２０は回転軸Ｏを中心に周方向に延在しており円弧状に形成されているが、本発明のトップフォイルは当該形状に限定されない。同様に、ラジアルフォイル軸受の例として、第２実施形態のトップフォイル６０は、回転軸１０３側から視て矩形状に形成されているが、本発明のトップフォイルは当該形状に限定されない。つまり、回転方向流路が形成されていれば、トップフォイルの形状については特に問わない。
【００４６】
（実施例）
次に、本発明の効果を確認した実施例１、実施例２を比較例１，比較例２と対比しながら説明する。
実施例１、実施例２、比較例１，及び比較例２のそれぞれは、４つのトップフォイルを備えたスラストフォイル軸受である。
実施例１、実施例２、比較例１，及び比較例２のトップフォイルは、同じ材料で形成し、同じ大きさのものを使用した。具体的には、材料は、リン青銅であり、内径ｒ３が２９ｍｍ、外径ｒ４が６０ｍｍ、基端から先端までの成す角度θ１が８２°のものを使用した（図１２参照）。
一方で、トップフォイルの上面（軸受面）側の形状は、実施例１、実施例２、比較例１，及び比較例２のそれぞれ異なる。以下、実施例１、実施例２、比較例１，及び比較例２のトップフォイルの表面形状について説明する。
【００４７】
（実施例１）
図１２に示すように、実施例１のトップフォイル１１０の上面には、流入口１１２と流出口１１３を有する回転方向流路１１１が形成されている。また、回転方向流路１１１の深さを５μｍとした。
回転方向流路１１１の内周側を囲む内側面１１５及び外側面１１６は、回転方向流路１１１の底面に垂直に形成された壁面であり、平面視で円弧状に形成した。また、回転軸Ｏから外側面１１６までの距離は、基端１１０ａから先端１１０ｂにかけて一定とした。一方で、回転軸Ｏから内側面１１５までの距離は、基端１１０ａから先端１１０ｂに向うに連れて拡大している。よって、回転方向流路１１１の溝幅は、基端１１０ａから先端１１０ｂに向うに連れて狭く形成されている。また、流出口１１３の溝幅は、流入口１１２の溝幅よりも狭く形成されている。そして、トップフォイル２０の先端２０ｂ側において回転方向流路１１１がトップフォイル１１０の外周側寄りに位置している。
【００４８】
（実施例２）
図１３に示すように、実施例２のトップフォイル２１０の上面には、回転方向流路２１１と、ディンプル領域２１２が形成されている。なお、回転方向流路２１１は、実施例１の回転方向流路１１１と同一であり、説明を省略する。
ディンプル領域２１２は、トップフォイル２１０の上面のうち、トップフォイル２１０の先端側であって回転方向流路２１１の内周側に形成されている。
図１４に示すように、ディンプル領域２１２は、複数のディンプル２１３の集合体である。各ディンプル２１３は、直径１００μｍの円形状に形成され、深さが３μｍとなっている。
また、ディンプル領域２１２は、間隔Ｌ毎で格子状に配列する第一ディンプル２１３ａと、間隔Ｌ毎で格子状に配列する第二ディンプル２１３ｂと、を備えており、第一ディンプル２１３ａに対し第二ディンプル２１３ｂが間隔Ｌ／２分だけずれて配置されている。なお、間隔Ｌは０．２８ｍｍである。
【００４９】
（比較例１）
比較例１は、特に図示しないが、トップフォイルの上面は、平坦面となっており、回転方向流路やディンプルが形成されていないプレーンタイプである。
【００５０】
（比較例２）
図１５に示すように、比較例２のトップフォイル３１０の上面には、ディンプル領域３１２を形成した。ディンプル領域３１２は、トップフォイル３１０の先端部側であり、内周側から外周側まで形成している。なお、ディンプル領域３１２は、実施例２のディンプル領域２１２と同じ構成であり、形成されている領域だけが異なっている。
【００５１】
（実験装置）
次に、実験に用いた装置４００を説明する。
図１６に示すように、装置４００は、土台部４０１上に設置されたロータ４０２と、ロータ４０２の上方に配置されて試験体（フォイル軸受）４０３を着脱自在に支持するステータ４０４と、ステータ４０４が吊り下げられる吊り下げ装置４０５と、静圧空気軸受４０６と、ステータ４０４の外周面に連結するテンションゲージ４０７と、を備えている。
【００５２】
吊り下げ装置４０５は、ステータ４０４を上下方向に変位可能に支持している。よって、ステータ４０４を下方に移動させて試験体（フォイル軸受）４０３とロータ４０２を接触させるとともに、その接触時において試験体（フォイル軸受）４０３に作用する負荷を変更したりすることができる。
また、吊るし下げ装置４０５には、試験体（フォイル軸受）４０３に作用する負荷を測定するためのロードセル４０８が設けられている。
【００５３】
静圧空気軸受４０６は、ステータ４０４を左右方向及び前後方向に位置ずれすることなく、回転可能に支持する装置である。このため、ロータ４０２の回転力がフォイル軸受４０３に伝達すると、ステータ４０４が回転するようになっている。
【００５４】
ステータ４０４の上部は、静圧空気軸受４０６よりも上方に位置するフランジ４０４ａを備えている。
テンションゲージ４０７は、ステータ４０４のフランジ４０４ａに連結し、ステータ４０４の回転トルクを測定する装置である。なお、ステータ４０４の回転トルクＴは、下記式（１）により求められる。
Ｔ［Ｎ・ｍ］  ＝  Ｒ１［ｍ］  ×  Ｆ［Ｎ］    ・・・式（１）
Ｔ  ：ステータ４０４の回転トルク    
Ｒ１：ステータ４０４のフランジ４０４ａの半径  
Ｆ  ：テンションゲージ４０７に測定された力
【００５５】
なお、ステータ４０４とフォイル軸受４０３は一体であり、ステータ４０４の回転トルクＴとフォイル軸受４０３の回転トルクＴは同じである。よって、ステータ４０４の回転トルクＴの他に、さらにロードセル４０８によりフォイル軸受４０３に作用する負荷を求めると、下記式（２）によりフォイル軸受４０３の摩擦係数μを求めることができる。
μ  ＝  Ｔ［Ｎ・ｍ］  ÷  （Ｎ［Ｎ］  ×  Ｒ２［ｍ］）    ・・・式（２）
Ｔ  ：ステータ４０４の回転トルク（フォイル軸受の回転トルク）
Ｎ  ：フォイル軸受４０３に作用する負荷
Ｒ２：フォイル軸受４０３の半径  
【００５６】
また、ステータ４０４の内部には、フォイル軸受４０３近傍の温度を測定するための熱電対４０９が設けられている
【００５７】
（試験方法）
試験体（実施例１、実施例２、比較例１、比較例２）４０３をステータ４０４に装着し、ステータ４０４を下降させ、試験体４０３をロータ４０２に接触させた。次にロータ４０２を回転させた。また、ロータ４０２の回転数は、０ｒｐｍから３００００ｒｐｍに次第に上昇させた。そして、ロータ４０２の回転数が２５００ｒｐｍ上昇する度に、摩擦トルクと温度上昇量とを測定した。
測定は、実施例１、実施例２、比較例１、並びに比較例２のそれぞれにおいて５回実施した。そして、５回中のうち平均値を示した３回の結果のみを抽出し、その３回の結果の平均値を算出した。摩擦トルクの平均値を図１７に示し、温度上昇量の平均値を図１８に示す。
【００５８】
図１７に示すように、実施例１は、１００００ｒｐｍを超えたあたりから摩擦係数が急激に減少し始め、１７５００ｒｐｍで実施例２、比較例１並びに比較例２のいずれよりも小さい摩擦係数値を示した。また、３００００ｒｐｍの時点の摩擦係数は、比較例１の摩擦係数よりも３１％減少していた。
よって、高速回転領域（２５０００ｒｐｍ以上）において、実施例１の摩擦力は、比較例１、比較例２の摩擦力よりも小さく、優れていることが分かった。
【００５９】
実施例２は、回転数が２５００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ未満の範囲において、実施例１、比較例１並びに比較２のいずれよりも摩擦係数が低い結果となった。ただし、１００００ｒｐｍ当たりを超えてから摩擦係数の減少量が小さかった。
よって、低速回転領域（２５００ｒｐｍ以上１００００ｒｐｍ未満）において、実施例２の摩擦力は、比較例１、比較例２の摩擦力よりも小さく、優れていることが分かった。
【００６０】
図１８に示すように、実施例１は、１７５００ｒｐｍ未満まで、比較例２と同じ温度上昇量となっていたが、１７５００ｒｐｍを超えたあたから、比較例２の温度上昇量よりも小さい値を示した。また、実施例１は、比較例１の温度上昇量よりも常時低い値を示した。よって、中速回転領域（１７５００ｒｐｍ以上）において、実施例１は、比較例１、比較例２よりも温度上昇量が小さく、優れていることが分かった。
【００６１】
実施例２は、回転数が２５００ｒｐｍ時点で、比較例１、比較例２と同じ温度上昇量であったが、回転数がさらに上昇しても低い温度上昇量を示し続けた。このため、回転数が５０００ｒｐｍよりも高い場合、実施例２は、比較例１、比較例２よりも小さい温度上昇量を示した。特に１７５００ｒｐｍの時点で、実施例２は、６２％の温度上昇を抑制していた。よって、実施例２は、比較例１、比較例２よりも温度上昇量が少なく、優れていることが分かった。
【符号の説明】
【００６２】
１，４１  フォイル軸受
２，４２  軸受本体
３，４３  スペーサ
１０，５０  バンプフォイル
２０，２０Ａ，６０，１１０，２１０，３１０  トップフォイル
２０ａ，６０ａ，１１０ａ  基端
２０ｂ，６０ｂ，１１０ｂ  先端
３１，３１Ａ，７１，１１１  回転方向流路
３２，７２，１１２  流入口
３３，３３Ａ，７３，１１３  流出口
３４，３４Ａ，１１５  内側面
３５，３５Ａ，１１６  外側面
３６，３６Ａ  底面
３７    突出部
７４    下面
７５    上面
７６    外周面
１００  マイクロガスタービン
１０２  ケーシング
１０３  回転軸
１０４  タービン（回転体）
２１２，３１２  ディンプル領域
【図１】
2020139566.tif 000003
【図２】
2020139566.tif 000004
【図３】
2020139566.tif 000005
【図４】
2020139566.tif 000006
【図５】
2020139566.tif 000007
【図６】
2020139566.tif 000008
【図７】
2020139566.tif 000009
【図８】
2020139566.tif 000010
【図９】
2020139566.tif 000011
【図１０】
2020139566.tif 000012
【図１１】
2020139566.tif 000013
【図１２】
2020139566.tif 000014
【図１３】
2020139566.tif 000015
【図１４】
2020139566.tif 000016
【図１５】
2020139566.tif 000017
【図１６】
2020139566.tif 000018
【図１７】
2020139566.tif 000019
【図１８】
2020139566.tif 000020