(57)【要約】【課題】別途の冷却機構を要することなく、高温域でも安定した軸受剛性が得られるフォイル軸受を提供する。【解決手段】フォイル軸受１は、支持すべき軸２と対向する軸受面Ｘを有するフォイルユニット２０を備え、軸受面Ｘと軸２との間の軸受隙間Ｃに生じる流体圧力により軸２を相対回転自在に支持する。フォイルユニット２０は、炭素を主成分とした材料からなる炭素材層（炭素シート２２）を含む。【選択図】図１
2018059553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持すべき軸と対向する軸受面を有するフォイルユニットを備え、前記軸受面と前記軸との間の軸受隙間に生じる流体圧力により前記軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、
前記フォイルユニットが、炭素を主成分とした材料からなる炭素材層を有するフォイル軸受。
【請求項２】
前記フォイルユニットが、前記軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の背後に配されたバックフォイル部とを備え、
前記トップフォイル部及び前記炭素材層が、前記バックフォイル部に乗り上げることで湾曲した請求項１に記載のフォイル軸受。
【請求項３】
前記フォイルユニットが、高温になるにつれて弾性率が低下する材料からなるフォイルを有する請求項１又は２に記載のフォイル軸受。
【請求項４】
前記フォイルユニットが、前記炭素材層と前記フォイルとを一体化した複合フォイルを有する請求項３に記載のフォイル軸受。
【請求項５】
前記軸受面が前記フォイルに形成された請求項３又は４に記載のフォイル軸受。
【請求項６】
前記軸受面が前記炭素材層に形成された請求項１〜４の何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項７】
前記炭素材層が、黒鉛を主成分とした材料からなる請求項１〜６の何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項８】
フォイル軸受に用いられる複合フォイルであって、
炭素を主成分とした炭素材層と、高温になるにつれて弾性率が低下する材料からなるフォイルとを一体化した複合フォイル。
【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】
フォイル軸受は、可撓性を有する薄板（フォイル）で軸受面を構成するものであり、フォイルが撓むことにより、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じて軸受隙間が適切な幅に自動調整されるという特徴を有する。
【０００３】
フォイル軸受としては、例えば、（１）軸受面を有するトップフォイルと、これを背後から弾性支持するバックフォイル（バンプフォイル）とを有するバンプ型のフォイル軸受（例えば、特許文献１参照）、（２）バックフォイルを設けず、複数のトップフォイル（リーフフォイル）を一部が互いに重なり合うように設置し、その重なり部分でトップフォイルにバネ性を与えるリーフ型のフォイル軸受（例えば、特許文献２参照）、（３）複数枚のフォイルを周方向に並べて配し、各フォイルの周方向両端をフォイルホルダに保持させた多円弧型のフォイル軸受（例えば、特許文献３参照）などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６１−３６７２５号公報
【特許文献２】特開平４−５４３０９号公報
【特許文献３】特開２０１４−１１９０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようなフォイル軸受のフォイルは、ステンレス鋼などのバネ性を有する金属で形成されることが多い。しかし、フォイル軸受が、ガスタービンの主軸支持等の高温環境下で使用される場合、金属製のフォイルに軟化や脆化が生じることで軸受剛性が低下し、高速回転時の安定性能が悪化するおそれがある。このため、フォイル軸受を高温環境下で使用する場合、別途、冷却機構の追加が必要となり、装置の大型化および高コスト化を招く。
【０００６】
本発明は、別途の冷却機構を要することなく、高温域でも安定した軸受剛性が得られるフォイル軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するためになされた本発明は、支持すべき軸と対向する軸受面を有するフォイルユニットを備え、前記軸受面と前記軸との間の軸受隙間に生じる流体圧力により前記軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、前記フォイルユニットが、炭素を主成分とした材料からなる炭素材層を含むことを特徴とする。
【０００８】
炭素は、高温において剛性が高くなるという特徴を有する。従って、軸受隙間に生じる流体圧力により、炭素材層を含むフォイルユニットを弾性変形させることで、例えば金属製のフォイルのみでフォイルユニットを形成した場合と比べて、高温時の軸受面の剛性が高められるため、高温時における軸受剛性の低下を抑えることができる。
【０００９】
フォイルユニットは、例えば、軸受面を有するトップフォイル部と、トップフォイル部の背後に配されたバックフォイル部とを備える。この場合、トップフォイル部及び炭素材層がバックフォイル部に乗り上げて湾曲することで、軸受隙間における流体圧力により、トップフォイル部及び炭素材層の湾曲部を弾性変形させて、軸受面にバネ性を付与することができる。
【００１０】
一般に、炭素を主成分とする材料（黒鉛等）は、金属と比べて、常温における弾性率が低い。従って、上記のフォイルユニットが、常温での弾性率が比較的高く、高温になるにつれて弾性率が低下する材料（例えば金属）からなるフォイルを有することで、常温におけるフォイルユニット（特に軸受面）の剛性を高めることができる。この場合、炭素材層とフォイルの割合や寸法、形状等を調整することにより、各温度域での軸受面の剛性の制御が可能となる。
【００１１】
前記フォイルユニットは、前記炭素材層と前記フォイルとを一体化した複合フォイルを有してもよい。この場合、フォイルと炭素材層との位置ズレが回避されると共に、意図した部分に選択的に炭素材層を配置することが可能となる。
【００１２】
フォイルユニットに設けられる軸受面は、フォイルあるいは炭素材層の何れに形成してもよい。
【００１３】
炭素材層は、例えば、黒鉛を主成分とした材料で形成することができる。この場合、黒鉛は自己潤滑性能に優れるため、例えばこの炭素材層に軸受面を形成すれば、別途の潤滑被膜等を施すことなく、軸の起動停止時のトルクを低減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明のフォイル軸受は、フォイルユニットが炭素材層を有することで、高温時の軸受面の剛性の低下が抑えられるため、別途の冷却機構を要することなく、高温域でも安定した軸受剛性が得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るフォイル軸受の断面図である。
【図２】フォイルの平面図である。
【図３】連結した二枚のフォイルを裏面側から見た平面図である。
【図４】三枚のフォイルを筒状に連結した状態を示す斜視図である。
【図５】フォイルの背後に炭素シートを配置した状態を示す斜視図である。
【図６】フォイルと炭素シートの仮組体を円筒状に丸めた状態を示す斜視図である。
【図７】フォイルと炭素シートの仮組体をフォイルホルダに取り付ける様子を示す斜視図である。
【図８】図１のフォイル軸受を拡大して示す断面図である。
【図９】図１のフォイル軸受の断面図であり、周方向を直線状に変換して示している。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、フォイルに軸受面を形成したフォイルユニットの積層構造の例を示す断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、炭素シートに軸受面を形成したフォイルユニットの積層構造の例を示す断面図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、炭素シートのみからなるフォイルユニットの積層構造の例を示す断面図である。
【図１３】複合フォイルの側面図である。
【図１４】図１３の複合フォイルの高温時における湾曲状態を示す側面図である。
【図１５】複合フォイルの他の例を示す斜視図である。
【図１６】図１５の複合フォイルを有するフォイル軸受の断面図であり、周方向を直線に変換して示している。
【図１７】リーフ型のフォイル軸受を示す断面図である。
【図１８】バンプ型のフォイル軸受を示す断面図である。
【図１９】リーフ型のスラストフォイル軸受を示す斜視図である。
【図２０】図１９のＤ−Ｄ線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１に、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受１を示す。フォイル軸受１は、内周に挿入された軸２をラジアル方向に支持するものである。フォイル軸受１は、筒状のフォイルホルダ１０と、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに取り付けられたフォイルユニット２０とを備える。フォイルユニット２０には、軸２の外周面２ａと半径方向で対向する軸受面Ｘが設けられる。尚、以下では、軸２の回転方向先行側（図１の矢印Ｒ参照）、すなわち、軸２の回転時における、フォイルユニット２０に対する流体の流れ方向下流側を「下流側」と言い、その反対側を「上流側」と言う。
【００１８】
フォイルホルダ１０は、焼結金属や溶製材（例えば鋼材）等の金属で円筒状に形成される。フォイルホルダ１０の内周面１０ａのうち、周方向に離隔した複数箇所には、フォイルユニット２０の取り付け部となる軸方向溝１０ｂが形成されている。尚、耐熱性や強度等に問題が無ければ、フォイルホルダ１０を樹脂で形成してもよい。
【００１９】
フォイルユニット２０は、軸受面Ｘを有するフォイル２１と、炭素材層としての炭素シート２２とを備える。本実施形態では、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに、複数のフォイル２１と、フォイル２１と同数の炭素シート２２とが周方向に並べて配置される。炭素シート２２は、各フォイル２１の背後（外径側）に配される。図示例では、フォイルホルダ１０の内周面１０ａの三カ所にフォイル２１および炭素シート２２が配置される。
【００２０】
フォイル２１は、高温になるにつれて弾性率が低下する材料で形成される。このような材料としては、例えば、ステンレス鋼、ばね鋼、銅、アルミなどの金属や、フッ素樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの樹脂、あるいはシリコンゴムなどのゴム材料が挙げられる。本実施形態のフォイル２１は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金で形成される。フォイル２１は、厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の金属製の帯状フォイルを、プレス加工等により所定形状に加工することで形成される。鋼材料や銅合金の代表例としては、炭素鋼や黄銅を挙げることができる。しかし、一般的な炭素鋼では、雰囲気に潤滑油が存在せず油による防錆効果が期待できないため、錆による腐食が発生し易くなる。また、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある（黄銅中のＺｎの含有量が多いほどこの傾向が強まる）。そのため、帯状フォイルとしては、ステンレス鋼もしくは青銅製のものを使用するのが好ましい。
【００２１】
図２に示すように、フォイル２１は、軸受面Ｘを有するトップフォイル部Ｔｆと、トップフォイル部Ｔｆから下流側（図２では左側）に延びた凸部２１ａと、トップフォイル部Ｔｆから上流側（図２では右側）に延びたバックフォイル部Ｂｆとを有する。
【００２２】
凸部２１ａは、トップフォイル部Ｔｆの表面に沿い、かつ軸２の回転方向Ｒと直交する方向（本実施形態では軸方向、図２では上下方向。以下、回転直交方向Ｎと言う。）に離隔した複数箇所に設けられる。本実施形態では、回転直交方向Ｎに離隔した三カ所に凸部２１ａを形成した場合を例示している。トップフォイル部Ｔｆの下流側端部のうち、各凸部２１ａの近傍には、フォイル縁部から上流側に延びる微小な切り込み２１ｂが設けられている。
【００２３】
バックフォイル部Ｂｆの上流側端部には、回転直交方向Ｎに離隔し、下流側に向けて凹んだ二つの切り欠き部２１ｃが形成される。各切り欠き部２１ｃの回転直交方向Ｎにおける幅寸法は、下流側に向けて徐々に縮小している。本実施形態では、切り欠き部２１ｃ全体を円弧状に形成した場合を例示しているが、各切り欠き部２１ｃは、頂部を尖端状とした略Ｖ字状に形成することもできる。各切り欠き部２１ｃの回転直交方向Ｎの両側には、それぞれ上流側に突出する突出部２１ｄが形成されている。
【００２４】
トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆの境界部で、かつ回転直交方向Ｎに離隔した複数箇所（凸部２１ａと同数）には、隣接するフォイル２１の凸部２１ａが差し込まれる、スリット状の差込口２１ｅが設けられる。このうち、両端の差込口２１ｅは、回転直交方向Ｎに沿って直線状に延びて、フォイル２１の両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口２１ｅは、回転直交方向Ｎに沿って延びる直線状の切り欠き部分と、該切り欠き部分から上流側に延び、その先端を円弧状とした幅広の切り欠き部分とからなる。
【００２５】
炭素シート２２は、炭素を主成分とした可撓性を有する薄板である。炭素シート２２は、耐熱性に優れているため、高温環境でも使用可能である。炭素シート２２は、例えば黒鉛を主成分とした材料で形成することができ、具体的には、黒鉛単体からなるもの、炭素繊維と黒鉛とを組み合わせたもの、あるいは、黒鉛とバインダー（例えば、有機又は無機材料）とからなる複合材料などが使用できる。また、炭素シート２２は、黒鉛ではなく、黒鉛構造を有する他の炭素材料（例えば炭素繊維）を主成分とするものであってもよい。例えば、炭素シート２２の材料として、炭素繊維のみからなるものや、炭素繊維とバインダーとからなる複合材料などが使用できる。この場合、炭素繊維は、黒鉛化処理を施したものを使用することが好ましい。
【００２６】
炭素シート２２は、矩形状をなし、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに沿って略円筒状に湾曲している。炭素シート２２の軸方向寸法は、フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆの軸方向寸法（すなわち、軸受面Ｘの軸方向寸法）と略同一とされる。例えば、炭素シート２２の軸方向寸法を、トップフォイル部Ｔｆの軸方向寸法と同一とする他、トップフォイル部Ｔｆの軸方向寸法よりも僅かに小さくしたり、僅かに大きくしたりしてもよい。炭素シート２２の周方向寸法は、トップフォイル部Ｔｆの周方向寸法（すなわち、軸受面Ｘの周方向寸法）よりも小さい。
【００２７】
図３に示すように、一方のフォイル２１の各凸部２１ａを、隣接するフォイル２１の差込口２１ｅにそれぞれ差し込むことにより、２枚のフォイル２１を連結する事ができる。同図中では、組み合わせ後の二つのフォイル２１のうち、一方のフォイル２１にグレーの色を付している。
【００２８】
そして、図４に示すように、３枚のフォイル２１を図３と同様の結合手法により筒状に連結した後、図５に示すように、各フォイル２１の背後（外径側）に、炭素シート２２を配置する。その後、図６に示すように、３枚のフォイル２１及び炭素シート２２の仮組体を略円筒状に丸め、各フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆと他のフォイル２１のバックフォイル部Ｂｆとの間に炭素シート２２を挟み込む。この状態で、図７に示すように、上記仮組体をフォイルホルダ１０の内周に軸方向一方側から挿入する（矢印参照）。具体的には、上記仮組体をフォイルホルダ１０の内周に挿入しながら、各フォイル２１の凸部２１ａを、フォイルホルダ１０の一方の端面に開口した軸方向溝１０ｂに軸方向一方側から差込む。以上により、３枚のフォイル２１及び炭素シート２２からなるフォイルユニット２０が、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに周方向に並べた状態で取り付けられる。
【００２９】
図８に示すように、フォイルユニット２０をフォイルホルダ１０に取り付けた状態では、隣接する二つのフォイル２１同士が交差した状態となる。この交差部分よりも上流側では、一方のフォイル２１のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成し、その背後に他方のフォイル２１のバックフォイル部Ｂｆが配される。一方、交差部分よりも下流側では、他方のフォイル２１のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成し、この他方のフォイル２１の差込口２１ｅを介して、一方のフォイル２１の凸部２１ａが、他方のフォイル２１の背後に回り込み、フォイルホルダ１０の軸方向溝１０ｂに挿入されている。バックフォイル部Ｂｆの上流側の端部は自由端であり、当該端部の位置は、バックフォイル部Ｂｆの弾性変形に応じて周方向に変動する。バックフォイル部Ｂｆの下流側の端部は、前記交差部分で他のフォイル２１（前記一方のフォイル２１）と周方向で係合した状態にある。
【００３０】
フォイル軸受１には、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとが厚さ方向で重ねられた重合部Ｗ（図９参照）が周方向に離隔した複数箇所（本実施形態では三箇所）に設けられ、この重合部Ｗのトップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの間に、炭素シート２２が配される。炭素シート２２の下流側端部は、バックフォイル部Ｂｆの上（内径側）に配される。炭素シート２２の上流側端部は、バックフォイル部Ｂｆよりも上流側に配され、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに接している。このように、炭素シート２２は、バックフォイル部Ｂｆの上流側端部を周方向に跨ぐ領域に設けられ、これにより、炭素シート２２がバックフォイル部Ｂｆに乗り上げて湾曲する。
【００３１】
フォイル軸受１では、隣接するフォイル２１同士が、周方向で係合して互いに突っ張り合った状態となっている。これにより、各フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆが外径側に張り出し、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに沿った形状に湾曲する。各フォイル２１の下流側への移動は、各フォイル２１の凸部２１ａが軸方向溝１０ｂに突き当たるために規制されるが、各フォイル２１の上流側への移動は規制されない。このため、各フォイル２１は、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに対して周方向で微小摺動（往復動）可能とされる。
【００３２】
図９に誇張して示すように、フォイルホルダ１０の軸方向溝１０ｂに差し込まれたフォイル２１の凸部２１ａが、フォイルホルダ１０の内周面１０ａの接線方向に対して角度θだけ僅かに傾斜しているため、凸部２１ａの近傍では、トップフォイル部Ｔｆが内径側に凸となるように湾曲しようとする。また、トップフォイル部Ｔｆは、炭素シート２２と共にバックフォイル部Ｂｆに乗り上げることで、下流側に向けてフォイルホルダ１０の内周面１０ａから離反する側（軸２の外周面２ａに接近する側）に傾斜した状態となる。以上により、トップフォイル部Ｔｆの軸受面Ｘと軸２の外周面２ａの間に、下流側に行くにつれて狭まった楔空間が形成される。
【００３３】
軸２の回転中は、楔空間に生じた空気膜が高圧となるため、軸２が浮上力を受ける。そのため、図１に示すように、各フォイル２１の軸受面Ｘと軸２の間に環状の軸受隙間Ｃ（ラジアル軸受隙間）が形成され、軸２がフォイル２１に対して非接触の状態で回転自在に支持される。このとき、トップフォイル部Ｔｆのうち、下流側端部付近に設けられた内径側に凸の湾曲部の弾性力や、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げた部分の弾性力、さらにはフォイルホルダ１０の内周面１０ａに沿った湾曲形状から元の形状に戻ろうとするフォイル２１の弾性復元力により、軸受面Ｘに半径方向のバネ性が付与される。本実施形態では、トップフォイル部Ｔｆだけでなく、炭素シート２２がバックフォイル部Ｂｆに乗り上げて湾曲しているため、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力により、トップフォイル部Ｔｆと共に炭素シート２２が弾性変形する。これらのトップフォイル部Ｔｆ及び炭素シート２２の弾性力により、軸受面Ｘの半径方向のバネ性が付与される。この軸受面Ｘのバネ性により、軸受隙間Ｃの幅が運転条件等に応じた適正幅に自動調整されるため、軸２の回転が安定的に支持される。なお、図面では、理解の容易化のため軸受隙間Ｃの幅を誇張して描いている。
【００３４】
ここで、金属製のフォイル２１は、高温になるにつれて弾性率（特に、曲げに対する弾性率）が低下するが、炭素シート２２は、高温になるにつれて弾性率（特に、曲げに対する弾性率）が向上する。従って、軸受面Ｘのバネ性を、フォイル２１及び炭素シート２２で受け持つことで、高温時のフォイルユニット２０の弾性率の低下、すなわち、高温時の軸受面Ｘのバネ性の低下を抑えることができる。また、炭素シート２２は、常温での弾性率は比較的低いが、常温での弾性率が比較的高い金属製のフォイル２１と組み合わせることで、常温での軸受面のバネ性を確保できる。以上により、上記のフォイル軸受１によれば、広い温度域で安定した軸受剛性を得ることができる。
【００３５】
軸２の回転中、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力によりトップフォイル部Ｔｆがバックフォイル部Ｂｆに押し付けられることで、トップフォイル部Ｔｆのうち、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げた部分には、軸受隙間Ｃの幅方向（本実施形態では半径方向）の段差が形成される。図３に示すように、各フォイル２１のバックフォイル部Ｂｆの上流側端部に切り欠き部２１ｃを設けた場合には、この段差は、切り欠き部２１ｃの形状に対応したヘリングボーン形状となる。トップフォイル部Ｔｆに沿って流れる流体は、上記のヘリングボーン形状の段差に沿って流れるため（図３の矢印を参照）、軸受隙間Ｃのうち、回転直交方向Ｎの二カ所に流体の高圧力部が形成される。これにより、軸２の浮上効果を高めつつモーメント荷重を支持することが可能となる。本実施形態では、図２に示すように、トップフォイル部Ｔｆに微小な切り込み２１ｂを形成してトップフォイル部Ｔｆの剛性を局部的に低下させているため、トップフォイル部Ｔｆが切り欠き部２１ｃに沿って変形する際にも、その変形がスムーズに行われる。
【００３６】
軸２の起動直後や停止直前などの低速回転中は、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力が不十分であるため、フォイル２１の軸受面Ｘと軸２の外周面２ａとが接触摺動する。このため、フォイル２１の軸受面Ｘ及び軸２の外周面２ａの何れか一方または双方に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化タングステン膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成してもよい。
【００３７】
また、炭素シート２２は、一般的なフォイルの材料であるステンレス鋼と比べて柔軟性に優れ、特に厚さ方向の圧縮力に対する弾性率が低い。従って、フォイルユニット２０が炭素シート２２を含むことで、軸２がフォイル２１の軸受面Ｘに接触した際、炭素シート２２が変形し、これに伴って軸受面Ｘが軸２の外周面２ａに倣って変形する。これにより、軸２と軸受面Ｘとの接触面積が増大し、接触面圧が低減されるため、軸２及び軸受面Ｘの損傷を防止できる。また、炭素シート２２は、ステンレス鋼と比べて熱伝導率が高いため、軸２と軸受面Ｘとの接触部で発生した熱が炭素シート２２を介して拡散されやすくなるため、焼き付きを防止できる。
【００３８】
また、軸２の回転中は、フォイル２１とフォイルホルダ１０の内周面１０ａや軸方向溝１０ｂとの間で微小摺動が生じる。この微小摺動による摩擦エネルギーにより、軸２の振動を減衰させることができる。このような微小摺動による摩擦力を調整するために、互いに摺動する面の何れか一方又は双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。
【００３９】
尚、炭素シート２２が黒鉛シートである場合、黒鉛は自己潤滑性能に優れるため、フォイル２１同士、あるいはフォイル２１とフォイルホルダ１０との間の摩擦力が小さくなり、軸の振動減衰効果の低下が懸念される。この場合、黒鉛シートあるいはこれと摺動する面の一方又は双方に、塑性加工（例えばプレス加工）等により微小な凹凸を形成したり、機械加工等により表面粗さを増大させたりすることで、摺動部の摩擦力を調整してもよい。
【００４０】
以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【００４１】
例えば、上記の実施形態では、フォイルユニット２０が、フォイル２１と炭素シート２２とを交互に積層した３層構造を成している｛図１０（ｂ）参照｝が、フォイルユニット２０の積層構造はこれに限らず、２層、あるいは４層以上としてもよい。例えば、図１０（ａ）に示すフォイルユニット２０は、フォイル２１と炭素シート２２とを交互に積層した２層構造を成し、図１０（ｃ）に示すフォイルユニット２０は、フォイル２１と炭素材層（炭素シート２２）とを交互に積層した４層構造を成している。図１０に示す何れのフォイルユニット２０も、最も軸２側の層がフォイル２１であり、このフォイル２１に軸受面Ｘが形成される。
【００４２】
また、上記の実施形態では、フォイル２１に軸受面Ｘを形成した場合を示したが、これに限らず、炭素材層（炭素シート２２）に軸受面Ｘを形成してもよい。特に、炭素材層を黒鉛シートで形成すれば、黒鉛シートは自己潤滑性に優れるため、別途の低摩擦化被膜処理を施すことなく、軸２と軸受面Ｘとの摺動抵抗が低減され、軸の低速回転時のトルクが低減される。例えば、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すフォイルユニット２０は、フォイル２１と炭素シート２２とを交互に２層〜４層積層し、最も軸２側の層を炭素シート２２し、この炭素シート２２に軸受面Ｘが形成されている。
【００４３】
また、金属製のフォイル２１が不要である場合には、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、フォイルユニット２０を炭素材層（炭素シート２２）のみで構成してもよい。
【００４４】
また、上記の実施形態では、炭素材層とフォイル２１とを別体に設けているが、図１３に示すように、炭素材層（炭素シート２２）とフォイル２１とを、フォイル２１の厚さ方向で重ねた状態で一体化して複合フォイル２３を形成してもよい。例えば、図１に示すフォイル軸受１において、フォイル２１の裏面（軸受面Ｘと反対側の面）に炭素シート２２を接着等により貼り付けて、複合フォイル２３を構成することができる。これにより、フォイル２１と一体的に炭素シート２２が弾性変形するため、高温時におけるフォイルユニット２０の剛性向上効果が高められる。
【００４５】
複合フォイル２３を構成するフォイル２１と炭素シート２２とでは、材料が異なるため線膨張係数が異なる。この線膨張係数の違いに起因して、フォイル２１と炭素シート２２とを一体化した複合フォイル２３は、高温時に湾曲する。具体的に、例えば金属製のフォイル２１は、黒鉛からなる炭素シート２２よりも線膨張係数が大きいため、高温時には、図１４に示すように、フォイル２１側が凸となるように湾曲する。この性質を利用して、例えば複合フォイル２３のフォイル２１に軸受面Ｘを形成すれば、高温時に軸受面Ｘが凸状となるため、楔空間が形成されやすくなり、軸受剛性が高められる。一方、複合フォイル２３の炭素シート２２に軸受面Ｘを形成すれば、高温時に軸受面Ｘが凹状となるため、楔空間が形成されにくくなり、軸受剛性が低下する。このように、複合フォイル２３を用いることで、高温時の軸受剛性を制御することが可能となる。
【００４６】
また、炭素材層は、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力によって弾性変形し得る状態でフォイル軸受１に組み込まれていれば、その形状や場所は問わない。例えば、上記のように炭素材層とフォイル２１とを一体化して複合フォイル２３を構成する場合、フォイル２１のうち、軸受隙間の流体圧力により弾性変形し得る領域に炭素材層を一体に設ければ、炭素材層をフォイル２１と一体に弾性変形させることができる。
【００４７】
例えば、図１５に示す実施形態では、フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆの裏面（軸受面Ｘと反対側の面）に炭素シート２２を貼り付けて、複合フォイル２３を形成している。図示例では、炭素シート２２に切り欠き部２２ａが設けられている。この切り欠き部２２ａは、図２のバックフォイル部Ｂｆに設けられた切り欠き部２１ｃと同形状を成している。一方、フォイル２１のバックフォイル部Ｂｆは、切り欠き部を有さない矩形状を成している。
【００４８】
この複合フォイル２３をフォイルホルダ１０に取り付けると、図１６に示すように、各複合フォイル２３の炭素シート２２が、他の複合フォイル２３の矩形状のバックフォイル部Ｂｆの上に重ねて配される。軸の回転に伴って軸受隙間Ｃの空気膜の圧力が高められると、トップフォイル部Ｔｆと共に炭素シート２２が弾性変形することで、高温での軸受剛性の低下が抑えられる。また、トップフォイル部Ｔｆが、切り欠き部２２ａを有する炭素シート２２を介してバックフォイル部Ｂｆに押し付けられることにより、トップフォイル部Ｔｆのうち、軸方向に離隔した二箇所にヘリングボーン形状の段差が形成されるため、モーメント剛性が高められる。
【００４９】
上記の実施形態では、フォイル軸受１として、いわゆる多円弧型のラジアルフォイル軸受を例示したが、本発明を適用可能なフォイル軸受の形態はこれに限られない。例えば、図１７に示すいわゆるリーフ型のフォイル軸受１にも本発明を適用することができる。このフォイル軸受１は、フォイルユニット２０が、下流側の端部を自由端とし、上流側の端部を固定端とした複数のフォイル２１（リーフ）を含む。各フォイル２１のうち、下流側の領域がトップフォイル部Ｔｆとして機能し、上流側の領域がバックフォイル部Ｂｆとして機能する。このリーフ型のフォイル軸受１において、フォイルユニット２０が炭素材層を含むことにより、上記と同様の効果を得ることができる。図示例では、フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆの背後（外径側）に炭素シート２２を貼り付けて、複合フォイル２３を構成している。尚、フォイル２１と炭素シート２２とを別体に設けてもよい。
【００５０】
また、図１８に示すいわゆるバンプ型のフォイル軸受１にも本発明を適用することもできる。このフォイル軸受１では、フォイルユニット２０が、波形のフォイル２１（バックフォイル部Ｂｆ）と、円筒状のフォイル２１（トップフォイル部Ｔｆ）とを別体に有し、トップフォイル部Ｔｆとフォイルホルダ１０との間にバックフォイル部Ｂｆが配される。このバンプ型のフォイル軸受１において、フォイルユニット２０が炭素材層を含むことにより、上記と同様の効果を得ることができる。図示例では、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの間に、トップフォイル部Ｔｆと略同形状の炭素シート２２が配される。トップフォイル部Ｔｆと炭素シート２２とは、別体に設けてもよいし、互いに張り合わせて複合フォイル２３（図１３参照）を構成してもよい。また、上記の炭素シート２２に代えて、あるいはこれに加えて、バックフォイル部Ｂｆに、これと略同形状の炭素シート２２を重ねて配してもよい。
【００５１】
さらに、スラストフォイル軸受に本発明を適用することもできる。図１９はスラストフォイル軸受３の一例として、リーフ型のスラストフォイル軸受を示している。図２０に示すように、フォイルユニット２０を構成する各フォイル２１のうち、下流側の領域がトップフォイル部Ｔｆとして機能し、上流側の領域がバックフォイル部Ｂｆとして機能する。軸がＲ方向に回転すると、軸に設けられたスラストカラー２ａとトップフォイル部Ｔｆの軸受面Ｘとの間に軸受隙間Ｃ（スラスト軸受隙間）が形成され、この軸受隙間Ｃの空気膜の圧力で軸がスラスト方向に非接触支持される。このスラストフォイル軸受３において、フォイルユニット２０が炭素材層を含むことにより、上記と同様の効果を得ることができる。図示例では、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの間に炭素シート２２が配される。トップフォイル部Ｔｆと炭素シート２２とは、別体に設けてもよいし、互いに張り合わせて複合フォイル２３（図１３参照）を構成してもよい。
【００５２】
以上の説明では、軸２を回転側部材とし、フォイルホルダ１０を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸２を固定側部材とし、フォイルホルダ１０を回転側部材とする場合にも本発明を適用することができる。但し、この場合はフォイルユニット２０が回転側部材となるので、遠心力によるフォイルユニット２０全体の変形を考慮してフォイルユニット２０の設計を行う必要がある。
【００５３】
また、本発明にかかるフォイル軸受は、例えば、ガスタービンや過給機をはじめとするターボ機械のロータを支持するフォイル軸受として使用することができる。この他、本発明にかかるフォイル軸受は、自動車等の車両用軸受、さらには産業機器用の軸受として広く使用することが可能である。また、本実施形態の各フォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受であるが、これに限らず、圧力発生流体としてその他のガスを使用することもでき、あるいは水や油などの液体を使用することも可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１、３ フォイル軸受
２     軸
１０   フォイルホルダ
２０   フォイルユニット
２１   フォイル
２２   炭素シート（炭素材層）
２３   複合フォイル
Ｔｆ   トップフォイル部
Ｂｆ   バックフォイル部
Ｘ     軸受面
Ｃ     軸受隙間
【図１】
2018059553.tif 000003
【図２】
2018059553.tif 000004
【図３】
2018059553.tif 000005
【図４】
2018059553.tif 000006
【図５】
2018059553.tif 000007
【図６】
2018059553.tif 000008
【図７】
2018059553.tif 000009
【図８】
2018059553.tif 000010
【図９】
2018059553.tif 000011
【図１０】
2018059553.tif 000012
【図１１】
2018059553.tif 000013
【図１２】
2018059553.tif 000014
【図１３】
2018059553.tif 000015
【図１４】
2018059553.tif 000016
【図１５】
2018059553.tif 000017
【図１６】
2018059553.tif 000018
【図１７】
2018059553.tif 000019
【図１８】
2018059553.tif 000020
【図１９】
2018059553.tif 000021
【図２０】
2018059553.tif 000022