(57)【要約】【課題】フォイル式流体スラスト軸受において、大きな負荷能力を得、また軸受フォイルの変形を防止する。【解決手段】相対回転する２枚の円板の対向する面の一方に、軸受フォイル１６が設けられている。軸受フォイルは、対向する円板の面と所定の間隔をもって位置する軸受面２６を有している。軸受面には、軸受面の前縁から下流に向けて形成された導入溝２０が設けられている。導入溝２０の後縁３８は、半径方向内側になるほど下流に延びている。この導入溝により、軸受面のほぼ中央で、圧力がピークとなり、ピーク圧が低く、広い面積で均一に近い圧力分布が得られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置され、相対的に回転する円板間の流体の圧力により荷重を支持する流体スラスト軸受であって、
一方の円板の、他方の円板に対向する面に変形可能な支持要素を介して支持され、周方向に複数枚配置される薄板状の軸受フォイルを有し、
軸受フォイルは、前記他方の円板に所定の間隔をもって対向する軸受面を有し、
軸受面には、流体の流れに関して側方および下流側の軸受面より前記他方の円板との間隔が大きくなっている流体導入溝が、当該軸受面の上流側の縁より下流に向けて設けられ、
流体導入溝は、その後縁の円板半径方向に対し内側ほど、より下流に位置する、
流体スラスト軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の流体スラスト軸受であって、前記流体導入溝の周方向の長さと、前記軸受フォイルの軸受面の周方向の長さの比が、前記流体導入溝の幅中央の円周上において、０．３〜０．６である、流体スラスト軸受。
【請求項３】
請求項１または２に記載の流体スラスト軸受であって、前記流体導入溝の前縁は直線状であって円板の半径方向に配置され、後縁は直線状であって前記前縁とのなす角が０〜３０°の範囲である、流体スラスト軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の動圧により荷重を支持する流体スラスト軸受に関し、特に荷重を支持する部分に薄板状の部材を配置した流体スラスト軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
対向して配置された円板を相対的に回転させ、回転により発生する流体の流れを利用して動圧を発生させ、これによりスラスト荷重を支持する流体スラスト軸受が知られている。動圧を発生させるために、円板の、もう一方の円板に対向する面に、所定形状の凹凸が設けられている。凹凸は円板に直接加工を行って形成してもよいが、所定の凹凸形状を有する薄板状の部材（以下、フォイルと記す）を、若干変位可能に配置したフォイル式のスラスト軸受が知られている。このようなフォイル式のスラスト軸受が下記特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特表平６−５０５５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フォイル式スラスト軸受は、円板が変位した場合、フォイルの変形により吸収することができるため、変位が大きくなる軸受への使用に適している。反面、圧力分布が不均一であると、これによりフォイルが変形し、所期の性能を得ることができない。
【０００５】
本発明は、フォイル式流体スラスト軸受の圧力分布を改善する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の流体スラスト軸受においては、対向する円板の一方に複数の薄板状の軸受フォイルが配置され、この軸受フォイルの相手側の円板に対向する軸受面には流体導入溝が設けられている。流体導入溝は、対向する円板の相対回転によって形成される流体の流れに関して上流側のフォイルの軸受面の縁より下流に向けて延びており、この導入溝の底部は側方および下流側のフォイルの軸受面より低く、すなわち相手側円板との間隔が大きくなっている。さらに、流体導入溝の後縁は、円板の半径方向に対して内側ほど、より下流に延びている。
【０００７】
これにより、高い負荷能力が達成され、さらに圧力最大値の位置が軸受フォイルの軸受面の中央に近くなり、また圧力最大値は低く、より広い範囲で均一に近い圧力分布が実現される。
【０００８】
流体導入溝の円周方向の長さと軸受フォイルの軸受面の円周方向の長さの比を０．３〜０．６とすることができる。このときの円周方向の長さは、流体導入溝の幅中央の円周上の長さである。
【０００９】
さらに、流体導入溝は、その前縁は直線状であって円板の半径方向に配置され、後縁は直線状であって前記前縁とのなす角が０〜３０°の範囲とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態のフォイル式流体スラスト軸受１０の概略構成を示す斜視図であるが、対向する２枚の円板１２，１４は実際より離して描かれている。実際には、円板１２，１４は、極近接して同軸配置され、相対的に回転する。この回転によって、円板間の流体、この実施形態では空気に流れが生じる。円板１２の、円板１４に対向する面は平坦であるが、円板１４の円板１２に対向する面には、軸受フォイル１６が配置されている。軸受フォイル１６は、同一の４枚が周方向に均等に配列されている。軸受フォイルの数は、軸対称に配置されるのであれば、４枚に限らず、３枚、５枚など他の枚数とすることもできる。個々の軸受フォイル１６は、４分の１よりやや短い円弧となっており、円板間の気流の上流側の縁が円板１４に固定され、この固定されてる部分以外の部分では、ダンパ１８を介して円板１４に支持されている。ダンパ１８は、軸受フォイル１６の法線方向の動きを許容する。一方でフォイルが動くと、これとの接触面で摺動し、このときの摩擦によりフォイルの振動などの減衰を行う。軸受フォイル１６の、円板１４に対向する面には、当該フォイルと円板１４の間隙に空気を効率よく導くための空気導入溝２０が形成されている。
【００１１】
図２，３，４は、軸受フォイル１６の詳細な形状を示す図である。図２は、円板１４を図１の上方から見た状態を示す図である。また、図３、図４はそれぞれ図２に示した３−３線、４−４線による断面図である。なお、これらの図面において、各部の寸法は、理解しやすいように部分的に縮尺が異なっている。
【００１２】
図２によく示されるように、１枚の軸受フォイル１６は、４分の１円よりやや短い、幅を持った円弧形状である。また、二つの円板間の空気は、図２において右回り（時計回り）の流れとなり、図３においては左から右に、図４においては、紙面手前から奥に向かう流れとなる。以下の説明において、「上流」「下流」または「前」「後」の文言は、この空気の流れに関して用いる。軸受フォイル１６の前縁、すなわち上流側の縁には、軸受フォイル１６を円板１４に固定する固定部２２が設けられている。固定部２２の下流に続けて、円板１４から離れるように、すなわち円板１２に近づくような傾斜面を形成するテーパ部２４が、さらに上側の面が円板１２と所定の間隔で対向する軸受面２６となる軸受部２８が設けられている。軸受部２８と円板１４の間には、波形状の薄板で構成されるダンパ１８が配置される。言い換えれば、軸受部２８はダンパ１８によって円板１４上に支持されている。軸受部２８とダンパ１８は、接触点での摺動が許容されており、このため、軸受フォイル１６が変形すると接触点で摩擦が発生し、摩擦力が変形を抑制する力となり。この摩擦力は、軸受フォイル１６が気流との相互作用により振動した場合など、この振動を抑制する減衰力となる。
【００１３】
軸受フォイルの軸受面２６の上流側には、他の部分より対向する円板１２からの距離が大きい面を形成する深さｄの導入溝２０が設けられている。すなわち、導入溝２０の底面３４が円板１２からの距離がより大きい面となる。したがって、軸受面２６は、円板１２から所定の間隙δで対向する面（以下、圧力発生面３６と記す）と、この面より円板１２から離れた面である導入溝の底面３４の二つの領域からなる。導入溝２０は、軸受面２６の前縁より始まり下流に向けて延びている。導入溝２０の左右には、幅ｂで圧力発生面３６が設けられ、この結果導入溝２０の左右の縁４２は円弧となっている。導入溝２０の後縁３８は、軸受面２６の前縁と一致する導入溝の前縁４０とほぼ平行に配置される。したがって、導入溝２０は、図２に示すように、左右の縁４２は円弧であるものの平行四辺形に類似した形状となっている。この結果、後縁３８は、周方向に関して内側ほど下流まで延びている。また、導入溝の左右の縁４２および後縁３８では、圧力発生面３６との間で高さｄの段差が形成されている。導入溝２０の形状についてはもう一度、後で述べる。
【００１４】
２枚の円板１２，１４を相対回転させると、円板間の空気はその回転に引きずられるようにして旋回して流れる。本実施形態では円板１４を固定し、円板１２を図１中で、時計回りに回転させて、気流を発生させる。気流は、軸受フォイル１６の前縁よりテーパ部２４を通過し、軸受面２６へと流れる。導入溝２０は前縁４０が開放されているので、テーパ部２４からの気流は、そのまま導入溝内に流れ込み、下流に向けて流れる。導入溝２０の左右には幅ｂの圧力発生面３６が、この面と対向する円板１２との狭い隙間によって、導入溝２０を流れる気流が側方へ流れることを抑制している。導入溝の後縁３８に達した気流は、導入溝２０から出て、これに続く圧力発生面３６を流れる。圧力発生面３６と円板１２の間隙δは、導入溝の底面３４と円板の間隙（δ＋ｄ）より狭く、狭い隙間に押し込まれた空気により、圧力が発生する。この圧力が軸受の支持力となる。
【００１５】
図５と図６は、導入溝２０を有する軸受フォイル１６と、これを持たない軸受フォイル１７について、圧力分布を示した図である。図５は導入溝２０を有する場合であり、図６が導入溝がない場合であり、両図において、等圧線が点線で、ピーク圧の位置が×で示されている。両図の等圧線は、同値の圧力を示している。これらの図より、導入溝２０を設けた場合、より広い範囲で高い圧力を発生することができる。したがって、軸受面全体の圧力の積分値である軸受の支持力が大きくなり、より高い負荷能力が得られる。また、導入溝２０を設けるとピーク圧の位置を軸受面の中央部とすることができ、圧力分布の偏りが減り、軸受フォイルの変形を抑制することができる。
【００１６】
図７は、導入溝２０の長さと負荷能力の関係を、溝がなかったときの負荷能力に対する比として示した図である。図７は、図８に示す寸法諸元の軸受を用いて得られた結果である。図８に示すとおり、データ取得に用いられた導入溝２０は、その後縁３８が半径に一致するものとなっている。データは、導入溝２０の長さに関する寸法（図中３５°となっている寸法）を変化させて得たものである。また、圧力発生面３６と対向する円板の間隔δは１０μｍ、導入溝２０の深さｄは２０μｍである。なお、図８中の単位の付されていない数字の単位はｍｍである。導入溝２０の長さは、導入溝２０の幅方向中心の円周、すなわち図８の半径１３．７５の円周上での導入溝２０の長さｓの、同じ円周上の軸受面２６の長さｔに対する比（図９参照）で表されている。
【００１７】
図７から理解されるように、導入溝２０を設けた場合、設けない場合に対して大幅な不可能力の向上が見られる。ｓ／ｔが０．２から０．８の間でほぼ２倍以上の向上が見られ、さらに０．３から０．６の範囲では２．５倍程度の向上が見られる。
【００１８】
図１０〜図１３の各図は、導入溝２０の形状による圧力分布の変化を示している。図１０の寸法諸元による圧力分布が図１１に示され、導入溝２０の変更した形状とそのときの圧力分布が図１２，１３に示されている。図１０および図１１の導入溝は、その後縁が前縁とほぼ平行となった略平行四辺形形状である。図１２の導入溝は、後縁が半径方向にほぼ一致した略扇形形状である。図１３は後縁が湾曲した形状であり、全体としては、内側の方が下流へとより延びている。三者の軸受荷重はほぼ変わらない。また、図１１の形状の導入溝に対して、図１２の扇形の場合、圧力のピークが１．０９倍であり、図中×で示されるその位置もやや半径方向外側に偏る。図１３の後縁が湾曲した場合、圧力のピークの位置は、図１１の場合とほぼ同じであるが、その値は１．０６倍である。したがって、ピーク圧が軸受面２６のほぼ中心で発生し、ピーク圧力の値も比較的低い、図１１の略平行四辺形の形状の導入溝が好ましい。
【００１９】
図１４と図１５は、導入溝の後縁３８の角度θを変えたときの負荷能力と圧力ピークの変化を示す図である。後縁の角度θは、図１６に示すように導入溝前縁４０に平行なときを０°とし時計回りにとる。他の部分の寸法は図１０に示すものと同一である。図１４に示すように負荷能力は、０°から３０°の範囲で、０°のとき以上の値となっている。したがって、負荷能力を重視すれば、後縁の傾きはこの範囲とすることが好ましい。図１５によれば、ピーク圧は、０°のときが最も低く、正方向に振っても、負方向に振っても値は大きくなる。角度θを負の値とすると、負荷能力が減少しているのに、ピークの圧力が高くなっており、圧力分布が偏っていることが考えられる。したがって、好ましい角度θは０°から３０°、特に圧力のピーク値が問題とな場合であれば、なるべく小さい値とする。
【００２０】
以上の実施形態において、軸受フォイルは、その上流側で円板に固定したが、他の位置で固定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態のフォイル式流体スラスト軸受の概略構成を示し斜視図である。
【図２】対向して軸受を構成する２枚の円板の一方の対向面を示す図である。
【図３】図２の３−３線による断面図である。
【図４】図２の４−４線による断面図である。
【図５】軸受フォイルに導入溝２０を設けた場合の圧力分布を示す図である。
【図６】導入溝のない軸受フォイルの場合の圧力分布を示す図である。
【図７】導入溝２０の長さと負荷能力の関係を示す図である。
【図８】軸受の主要部分の寸法を示す図である。
【図９】導入溝２０の長さ（ｓ／ｔ）について説明するための図である。
【図１０】略平行四辺形の導入溝を設けた軸受の主要部分の寸法を示す図である。
【図１１】図１０の軸受の圧力分を示す図である。
【図１２】略扇形の導入溝の寸法と圧力分布を示す図である。
【図１３】後縁が湾曲した導入溝の圧力分布を示す図である。
【図１４】導入溝後縁の傾きと負荷能力の関係を示す図である。
【図１５】導入溝後縁の傾きと圧力のピーク値の関係を示す図である。
【図１６】導入溝の後端の傾き角度θについて説明するための図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  フォイル式流体スラスト軸受、１２，１４  円板、１６  軸受フォイル、２０  導入溝、２６  軸受面、３８  導入溝の後縁、４０  導入溝の前縁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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