(57)【要約】本発明は高速回転軸を支持するためのラジアルフォイル軸受を提供する。このラジアルフォイル軸受は、トップフォイル（１）と、前記トップフォイル（１）の切断部分に溶接されたキー（２）と、広くて高いバンプと狭くて低いバンプとが交互に配置されており、前記トップフォイル（１）の外側に設けられている内径バンプフォイル（３）と、前記内径バンプフォイル（３）の広くて高いバンプの中心の外側に配置されており、前記内径バンプフォイル（３）の狭くて低いバンプよりも低い高さを有する外径バンプフォイル（４）と、前記内径バンプフォイル（３）及び前記外径バンプフォイル（４）を固定させるためのバンプシート（５）と、前記バンプシート（５）の外側に配置されており、キー溝（７）を有する軸受箱（６）とから構成される。【選択図】図３
2007522415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トップフォイル（１）と、
前記トップフォイル（１）の切断部分に溶接されたキー（２）と、
広くて高いバンプと狭くて低いバンプとが交互に配置されており、前記トップフォイル（１）の外側に設けられている内径バンプフォイル（３）と、
前記内径バンプフォイル（３）の広くて高いバンプの中心の外側に配置されており、前記内径バンプフォイル（３）の狭くて低いバンプよりも低い高さを有する外径バンプフォイル（４）と、
前記内径バンプフォイル（３）及び前記外径バンプフォイル（４）を固定させるためのバンプシート（５）と、
前記バンプシート（５）の外側に配置されており、キー溝（７）を有する軸受箱（６）と、を含むことを特徴とするラジアルフォイル軸受。
【請求項２】
前記トップフォイル（１）の内径に金属性の乾滑剤をコーティングした後研削を行うことで、強い付着性を要求しない乾滑剤を使用することができることを特徴とする請求項１に記載のラジアルフォイル軸受。
【請求項３】
前記トップフォイル（１）の厚さは下記の式１を満足させることを特徴とする請求項１に記載のラジアルフォイル軸受。
［式１］
ｔ≧０．１×Ｄ０．３３
ｔ：厚さ（ｍｍ）、Ｄ：軸径（ｍｍ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアルフォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、軸受は転がり軸受（ボールやローラーを用いる）、無給油軸受（潤滑性材料を用いて摩擦動作を行う）、滑り軸受（オイルを用いる）、気体軸受、磁気軸受（磁力を用いて無接触動作を行う）に分けられる。滑り軸受は動圧すべり軸受と静圧すべり軸受に区別される。動圧すべり軸受は、相対すべり運動によってオイルが圧力を発生して軸を支持し、静圧すべり軸受は軸受の外部から高圧のオイルを供給することにより軸を支持する。気体軸受は、オイルの代わりに気体が用いられることを除いたら滑り軸受と同一の原理で動作する。つまり、静圧気体軸受は外部から加圧気体が供給され、動圧気体軸受は相対すべり運動によって圧力が発生する。
【０００３】
動圧気体軸受は、少ない摩擦損失及び液体潤滑油の不必要性などの理由で高速回転応用分野で広く使われ、特に転がり軸受で支持することができない超高速分野や液体潤滑油を使用し難い場合に主に使用されている。動圧気体軸受は、溝付き軸受、ティルティングパッド軸受、フォイル軸受に分けられ、溝付き軸受は溝を設けて圧力を発生させる構造であり、スパイラル溝付き軸受が代表的な例である。動圧流体膜ティルティングパッド軸受(hydrodynamic fluid-film tilting pad bearing)は使用条件が極めて制限的であるため、その条件を越えると破損される恐れが大きくなるという短所がある。例えば、設計条件以上または以下の条件で剛性が急激に低下するので、この軸受は衝撃、軸のずれ(misalignment)及び熱変形に非常に脆弱である。これに対し、コンプライアント動圧流体膜軸受（Compliant hydrodynamic fluid-film bearing）と呼ばれるフォイル軸受は、固定型のティルティングパッド軸受に比して確然に高い性能を提供し、最近２０年間飛躍的な発展をしてきており、航空機の空気調和装置において十分な耐久性及び安定性が確認されたところがあり、特に１０万ＲＰＭを超える超高速回転の極低温用のターボコンプレッサのような高速回転機械に用いられている。この軸受は少しの液体が混ぜられている状況でも使用が可能であり、柔軟性及び低コスト化の可能性が長所である。航空におけるフォイル軸受は１９７０年から環境調節装置（ＥＣＳ）において、機内の圧力及び温度を調節する核心構成部品であるＡＣＭ(Air Cooling Machine)に主に用いられており、最も適宜な使用例であると言える。この応用において、フォイル軸受はオイルシステムがないので、機内を汚染させることなく、定期的なメンテナンス無しに玉軸受に比べて十分に長時間の安定的な動作を可能にした。そして、軸受の破損時もターボ構成品の破損がほとんどないという長所を有し、ボーイング７４７に使用されたフォイル軸受は修理無しに１０万時間以上作動されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フォイル軸受は２種に大別される。図１に示すように複数の羽根型のフォイルを回転方向に一部を重ねて配置して軸を支持するリーフ型(Leaf Type)と、図２に示すように全体を一つのフォイルとし、フォイルの外部にいろんな形態でフォイルを支持するバネ(spring)を配置するバンプ型(Bump Type)とに分けられる。リーフ型は、支持荷重が小さく、外部衝撃が少ない場合に適用でき、起動トルクが大きいという短所をもっている。これに対し、バンプ型は起動時の負荷が小さく、耐久性及び剛性に優れていると知られているが、設計及び生産条件が複雑であり、特に安定性を確保することが難しいので、世界中に２〜３会社しか当該技術を保有していない実状である。軸受箱(Bearing hosing)の内側にバネの役割をするバンプフォイル(Bump foil)が軸受箱に溶接されており、その内側には実質的に軸(Shaft、journal)と接するトップフォイル(Top foil)が軸受箱に溶接されている。軸が回転して空気を引くと、トップフォイル及びバンプが変形され、荷重を支持する流体膜を形成するための空間を生成するようになる。フォイル軸受において、流体膜を発生させるための幾何学的形状はトップフォイルの弾性変形によって提供される。回転数が高くなるほど、トップフォイル及びバンプは外側へ押し出され、軸が中心からずれると、細くなるくさび形(Converging wedge)の空間が形成される。この際、トップフォイルの変形特性を用いて、複雑な機械加工が不要であり、適宜な動圧が発生される最適の形態を得ることができるようになる。また、半径方向の余裕が生じるので、高速回転に伴う軸径の増加に対応し得るようになるというメリットがある。かかる特性を決めることは、トップフォイルの厚さ及びトップフォイルを支持するバンプの形状である。特に、バンプの設計によって軸系が必要とする剛性及びダンピングを提供するか否かが決められるので、バンプの形態、厚さ、高さ、ピッチ、個数などがベアリングの性能を決める最も重要な因子となる。
ひいて、軍事用軸受は、一層高速と劣悪な環境及び衝撃に耐えられる性能が求められている。高速、高出力、高効率のＢＬＤＣモータでは、一般的なオイル潤滑軸受をもってはこのような要求性能を提供することができない現況である。また、構造的に十分なミスアラインメント及び熱、振動に耐えられなければならず、このために最大の支持力を得るためにバンプを軸方向に分離するとともに、回転方向に分離することが有利であると知られている。
【０００５】
米国内に出願された関連特許は次のようである。USP4,300,806、5,915,841、5,988,885、4,465,384、5,498,083、5,584,582、6,024,491、6,190,048B1、4,624,583、3,893,733、3,809,443、4,178,046、4,654,939、4,005,914、5,911,511、5,534,723、5,427,455、5,866,518。 
これらの原理に対する基本特許が１９７０年代に出願され、バンプ及びトップフォイルに対する変更によって性能を向上させようと努力してきたことが分かる。また、USP5,866,518号には高温に適用でき、付着性に優れている金属性乾滑剤を開発するための努力が開示されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、バンプ型のフォイル軸受に関し、その性能を一層向上させるとともに、生産性を高めることに目的がある。ここで、性能とは、支持能力及び安定性を意味するもので、支持能力に優れても安定性がないと、使用不能であり、安定性があっても支持能力が小さいと実際に使用することが困難となる。図１及び図２に示されたものがこれまで使用されている代表的な形態の軸受であって、バンプ型の支持力がリーフ型に比べて２倍以上優秀であると知られているが、安定性が確保できないという問題があって、開発難易度が高いと言える。
【０００７】
本発明では支持力に優れているバンプ型の安定性を確保することができる方法を提示することで実際の適用が可能な軸受を提供しようとする。また、生産において、組立時の精密度が問題となって、生産速度が低下するという問題点を抱いており、高温（４００℃以下）にて十分に冷却させなければならないという構造的な問題があるので、冷却によってシステムの効率が劣るという短所をもっており、超高温（８００℃以下）では金属性潤滑剤を用いなければならないが、これを軸に適用するために密着力に優れる素材を開発すべきであるという制限を有するので、潤滑剤の特性に限界を有し、コーティングに多くの費用がかかるようになる。
【０００８】
従って、本発明の技術的課題は生産性を高めるとともに、荷重支持能力を向上させ、広い安定領域を提供し、高速及び高温においても安定した動作を可能にすることである。また、本発明の目的は、小さな密着性を有するコーティング剤を使用可能にすることで、コスト及び性能を大幅向上させることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
本発明の一実施形態によるバンプ型のラジアルフォイル軸受は、図２に示したような一般的なバンプ型のラジアルフォイル軸受である。図４に示したように、本発明によるバンプ型のラジアルフォイル軸受は、トップフォイル１、キー２、内径バンプフォイル３、外径バンプフォイル４、バンプシート５、ハウジング６、キー溝７から構成される。
軸とトップフォイル１との間には微細な間隙が存在し、周辺の空気或いは気体が潤滑油の役割をする。トップフォイル１は、軸の回転速度から発生した空気の流れが圧力に変わって円ではなく他の形態を帯び、これによって支持力が更に増大するようになる。従って、バンプフォイル３、４の剛性及びトップフォイル１の厚さが支持力を決定する重要な要素となり、トップフォイル１を支持するバンプの挙動が支持力及び安定性を決めることになる。また、トップフォイル１を支持するバンプフォイル３、４の特性が性能を決めるようになる。従って、本発明ではバンプフォイル３、４及びトップフォイル１の形態を変えることで性能及び経済性を向上させることを図ることができる。
【００１０】
トップフォイル１では、トップフォイル１の厚さを、現在通常的であると知られているもの（直径６０ｍｍの軸受である場合、０．１ｔを使用する）よりも十分に厚くして旋盤加工及び内径研削を行うことができるようにして生産性及び精密度を向上させ、低い回転数でも軸受の形態を保つようにすることで、起動及び停止時に摩擦負荷を減らして磨耗を減少させ、高温における歪みを減らして冷却量を減少させた。即ち、トップフォイル１の厚さを下記の式１のようにして、生産性及び性能を向上させた。また、トップフォイルの内径研削ができるので、金属性の乾滑剤を用いる場合、トップフォイルの内径にプラズマ溶射などの方法で内径に潤滑剤を噴射して研削を行うことで、強い付着力を有する乾滑剤を開発しなければならず、また軸の外径に溶射して軸を研削しなければならないという難しさを回避することができる。このようにトップフォイル１の厚さを厚くして性能を確保するためには、低い荷重から高い荷重まで広い領域に亘って優秀な特性を有するバンプと一緒に使用しなければならない。
【式１】
【００１１】
ｔ≧０．１×Ｄ０．３３
ｔ：厚さ（ｍｍ）、Ｄ：軸径（ｍｍ）
厚いトップフォイル１と一緒に使用されるべきバンプ３、４は個数が少なくても（つまり、ピッチが大きくても）トップフォイルに荷重が適切に分布されて伝達できるものを用いて、内径バンプフォイル３は高いバンプと低いバンプとを交互に配置し、外径バンプフォイル４は前記内径バンプフォイル３の高いバンプの下方のみにバンプフォイルを配置する。その結果、２層構造を使用するが、３段階で剛性の変化を与えることができるようにする。更に、バンプが押圧されることによって、線形的に剛性が増加するわけではなく、押圧によって２次又は３次方程式の形態で剛性が増加する構造を有するので、広い回転数の範囲において安定性を有するようになる。
内径バンプフォイル３は、高いバンプと低いバンプとが交互に配置されているので、トップフォイルが押圧されることによって、２段階で剛性が増加し、トップフォイル１が更に押圧されると、外径バンプフォイル４まで押圧されるようになって３段階で剛性が増加する。外径バンプフォイル４の高さは内径バンプフォイル３の小さなバンプのそれと類似しているので、剛性を増加させるためには厚さを増加させる方法を用いればよい。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
前述したように、バンプフォイル３、４の剛性を３段階で変化させることにより、低い負荷から高い負荷まで全部耐えられるようにし、剛性とともに剛性の３段階の非線形性から発生するダンピングの効果によって安定性を確保することができるので、危険速度(Critical speed）の近くで動作を行うことができる。内径バンプフォイル３における大きなピッチに外径バンプフォイル４を配置させることで、組立の精密度を下げても構わないようにし、ハウジング６の内径に組み立てる工数を減らして生産性を向上させた。また、トップフォイルが厚いので、自体の剛性によって高温でも歪みがなく、よって冷却を減らすか、全然しなくても素材の臨界温度まで使用可能であるので、効率を高めることができる。従って、本発明によれば、従来の技術の不都合、即ち既存のフォイル軸受が高コストで、量産ができず、更に高温に容易に適用できないなど、を克服できるので、フォイル軸受を産業用又は民生用機械に適用可能になった。
【００１３】
また、厚いトップフォイルを用いることで発生する利点は、その自体で形態を保つ力を有するので、トップフォイル及びバンプフォイルをハウジングに直接溶接しなくてもよい簡単な構造を提供するということである。簡単にバンプシート５に内径バンプフォイル３及び外径バンプフォイル４を点溶接してトップフォイル１と一緒にハウジング６に組み立てればよい。但し、キー２をトップフォイル１に溶接して固定させ、ハウジング６にキー溝７を設けて回転を防止する。結果的に、従来にハウジング６の内径に全ての部品を溶接しなければならなかったという不都合を克服することで、生産性を高めることができるようになる。
【００１４】
厚いトップフォイルが有する長所は、起動トルクが少ないということである。起動時から軸受の形態を維持しているので、摩擦が少なく、起動時の負荷が少なくかかって、これによって軸受の寿命が長くなるという長所も有する。
以上、本発明の例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲がこれに限定されるわけではないし、当該技術分野における通常の知識を有する当業者ならば下記の特許請求範囲に記述された本発明の技術的思想及びカテゴリ内で本発明を多様に修正や変形させることができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のリーフ型のラジアルフォイル軸受を示す図である。
【図２】従来のバンプ型のラジアルフォイル軸受を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるラジアルフォイル軸受を示す図である。
【図４】図３のラジアルフォイル軸受の部分拡大図である。
【図１】
2007522415.tif 000003
【図２】
2007522415.tif 000004
【図３】
2007522415.tif 000005
【図４】
2007522415.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月31日(2005.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
式ｔ≧０．１×Ｄ０．３３（ここで、ｔ：厚さ［ｍｍ］、Ｄ：軸径［ｍｍ］）の条件を満足させるトップフォイル（１）と、
前記トップフォイル（１）の切断部分に溶接されたキー（２）と、
広くて高いバンプと狭くて低いバンプとが交互に配置されており、前記トップフォイル（１）の外側に設けられている内径バンプフォイル（３）と、
前記内径バンプフォイル（３）の広くて高いバンプの中心の外側に配置されており、前記内径バンプフォイル（３）の狭くて低いバンプよりも低い高さを有する外径バンプフォイル（４）と、
前記内径バンプフォイル（３）及び前記外径バンプフォイル（４）を固定させるためのバンプシート（５）と、
前記バンプシート（５）の外側に配置されており、キー溝（７）を有する軸受箱（６）と、を含むことを特徴とするラジアルフォイル軸受。
【請求項２】
前記トップフォイル（１）の内径に金属性の乾滑剤をコーティングした後研削を行うことで、強い付着性を要求しない乾滑剤を使用することができることを特徴とする請求項１に記載のラジアルフォイル軸受。
【国際調査報告】
2007522415.tif 000007
2007522415.tif 000008