(57)【要約】【課題】フォイル軸受の耐久性を高める。【解決手段】フォイル軸受１は、可撓性を有する薄板（フォイル２０）を備え、フォイル２０に設けられた軸受面Ｘと軸２との間の軸受隙間Ｃに生じる流体膜で軸２を支持する。フォイル２０の軸受面Ｘが、導電性を有する樹脂材料で形成される。【選択図】図１
2019070406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する薄板を備え、前記薄板に設けられた軸受面と軸との間の軸受隙間に生じる流体膜で前記軸を支持するフォイル軸受において、
前記薄板の軸受面が、導電性を有する樹脂材料で形成されたフォイル軸受。
【請求項２】
前記薄板が、前記樹脂材料のみで形成された請求項１に記載のフォイル軸受。
【請求項３】
前記薄板が、金属シートと、前記金属シートの表面を覆い、前記樹脂材料で形成された樹脂表層とを有する請求項１に記載のフォイル軸受。
【請求項４】
前記樹脂材料が、ＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、及びＰＯＭの中から選択される少なくとも一種を主成分とし、導電性充填材を含む請求項１〜３の何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項５】
前記導電性充填材が、炭素系材料である請求項４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】
ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械の主軸は、極めて高速で回転し、且つ、タービン翼は高温環境下にある。このようなターボ機械の主軸の回転を支持するにあたり、潤滑油の使用が困難な場合には、空気動圧軸受が使用されることがある。
【０００３】
例えば、相対回転する両軸受面が剛体で構成される一般的な空気動圧軸受の場合、使用される回転速度に応じた軸受隙間の幅の管理が重要であり、軸受隙間の幅が安定限界を超えると、ホワールと呼ばれる振れ回りが生じる。しかし、一般的な剛体の軸受面からなる空気動圧軸受では、軸受隙間は軸の直径の１／１０００程度に設定する必要があり、例えば軸の直径が数ｍｍ程度であれば軸受隙間は数μｍ程度に設定される。このため、各部材の製造や、温度変化の激しい環境下での軸受隙間の幅管理が極めて困難となる。
【０００４】
これに対し、フォイル軸受と呼ばれる軸受は、曲げに対して剛性の低い可撓性を有する薄板（フォイル）で軸受面を構成し、フォイルの撓みを許容しながら荷重を支持する。軸の回転時には、軸とフォイルとの間に空気の膜が形成され、この空気膜を介して軸が非接触支持される。フォイル軸受では、フォイルの可撓性により、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じて適切な幅の軸受隙間が自動的に形成されるため、軸受隙間の幅を比較的大きめに設定することができる。具体的には、例えば軸の直径が数ｍｍ程度であれば軸受隙間の幅を数十μｍ程度に設定することが可能であり、一般的な剛体の軸受面からなる空気動圧軸受と比較して、各部材の製造や軸受隙間の幅管理が容易となる。
【０００５】
フォイル軸受において、軸の回転開始直後や停止直前などの低速回転時には、軸受隙間の流体圧が十分に高まっていないため、フォイルと軸とが接触・摺動する。従って、軸を起動、停止する度にフォイルと軸とが接触・摺動を繰り返すため、軸受面と軸とが凝着し、摩擦トルクの増大、ひいては軸受面の破損に至るおそれがある。
【０００６】
例えば下記の特許文献１には、フォイルの表面に、二硫化モリブデン、黒鉛、フッ素樹脂等の潤滑性に優れた被膜を設けることで、軸との摺動性を高めて軸受面の摩耗を抑えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−５６５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、フォイルの表面（軸受面）に上記のような被膜を設けた場合でも、軸との摺動により被膜が摩滅すると、フォイルの母材（金属）が軸受面に露出して軸と摺動する。この場合、軸受面の摺動性が大きく低下して、軸受面が早期に破損するおそれがある。
【０００９】
例えば、フォイル軸受を構成する薄板を樹脂材料で形成すれば、軸受面と軸との摺動性を高めることができる。しかし、この場合、軸が樹脂製の薄板を介して電気的に絶縁された状態で支持されることとなるため、軸が空気との摩擦等により帯電しやすくなる。軸の帯電量が大きくなると、回転側の金属部材と静止側の金属部材との間の隙間が小さな部位（例えば、軸とフォイルホルダとの間や、タービン翼とタービンハウジングとの間）において放電（スパーク）が発生し、フォイル軸受や軸あるいはこれらに取り付けられる部材の早期の劣化を招くおそれがある。
【００１０】
そこで、本発明は、フォイル軸受や軸あるいはこれらに取り付けられる部材の耐久性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明は、可撓性を有する薄板を備え、前記薄板に設けられた軸受面と軸との間の軸受隙間に生じる流体膜で前記軸を支持するフォイル軸受において、前記薄板の軸受面が、導電性を有する樹脂材料で形成されたフォイル軸受を提供する。
【００１２】
このように、薄板の軸受面を樹脂材料で形成することにより、軸と軸受面との間の摺動性が改善され、軸及び軸受面の損傷が抑えられる。また、軸受面を形成する樹脂材料が導電性を有するため、軸の低速回転時に軸と薄板の軸受面とが接触したときに、軸に帯電した静電気が薄板を介して放電されるため、回転側の金属部材と静止側の金属部材との間におけるスパークの発生を防止できる。
【００１３】
上記のフォイル軸受の薄板は、例えば導電性を有する樹脂材料のみで形成することができる。あるいは、薄板を、金属シートと、金属シートの表面を覆い、導電性を有する樹脂材料で形成された樹脂表層とを有する構成とすることができる。
【００１４】
上記のフォイル軸受の薄板は、自己潤滑性を有する樹脂を主成分とする樹脂材料で形成することが好ましい。この場合、軸と薄板の軸受面とが接触することで、これらの摺動部に上記の自己潤滑性樹脂が供給されるため、軸受面と軸との摺動性がさらに高められる。このような自己潤滑性樹脂としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）を使用できる。ただし、これらの自己潤滑性樹脂は導電性が乏しいため、導電性充填材を添加する必要がある。導電性充填材としては、例えば、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素系材料を使用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、軸の帯電に起因するスパークの発生を防止できるため、フォイル軸受や軸あるいはこれに取り付けられる部材の早期の劣化を防止して、耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態にかか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】三枚のフォイルを仮組みした状態を示す斜視図である。
【図５】フォイル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６】図１のフォイル軸受の拡大断面図である。
【図７】他の実施形態に係るフォイルの断面図である。
【図８】リーフ型のラジアルフォイル軸受を示す断面図である。
【図９】バンプ型のラジアルフォイル軸受を示す断面図である。
【図１０】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１１】図１０中のＤ−Ｄ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係るフォイル軸受１は、円筒面状の内周面１１を有するフォイルホルダ１０と、フォイルホルダ１０の内周面１１上で、周方向の複数箇所に配置された可撓性の薄板としてのフォイル２０とを有する。図示例のフォイル軸受１は、内周面１１の三カ所にフォイル２０を配置した場合を例示している。また、図示例では、フォイルホルダ１０の内周面１１の周方向全域がフォイル２０で覆われ、その内周に軸２が挿入されている。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。
【００１９】
フォイルホルダ１０は、焼結金属や溶製材等の金属で形成することができ、例えば鋼材で形成される。フォイルホルダ１０の内周面１１のうち、周方向に離隔した複数箇所（フォイル数と同数）には、各フォイル２０の取り付け部となる軸方向溝１１ａが形成されている。
【００２０】
フォイル２０は、少なくとも軸受面Ｘが導電性を有する樹脂材料（以下、「導電性樹脂」とも言う。）で形成され、本実施形態では、フォイル２０全体が導電性樹脂で形成される。導電性樹脂の主成分（ベース樹脂）としては、バネ性を有する材料が使用される。特に、ベース樹脂は、自己潤滑性を有するものが好ましく、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等を単独で、あるいはこれらを２つ以上組み合わせたものが使用できる。
【００２１】
フォイル２０を形成する導電性樹脂において、上記のようにバネ性や自己潤滑性が要求される場合、選択できるベース樹脂の種類は限られる。例えば、上記のＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、及びＰＯＭは導電性を有さないため、これらをベース樹脂として使用する場合は、導電性充填材が添加される。導電性充填材を介して、フォイル２０の表側（軸受面Ｘ側）の面と裏側の面との間で通電性が確保される。導電性充填材としては、例えば、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素系材料を使用することができる。特に、黒鉛は、自己潤滑性を持ち、軸の起動・停止時の軸受面との摩擦摩耗に対する特性の改善が図られるため好ましい。また、ベース樹脂に炭素繊維を添加した場合、導電性が付与されるだけでなく、強度も高められた炭素繊維強化樹脂を得ることができる。フォイル２０は、例えば、導電性樹脂からなるシートを所定の形状に打ち抜くことにより形成される。尚、導電性樹脂として、上記の他、ベース樹脂そのものが導電性を有し、導電性充填材を含まない樹脂材料を使用することもできる。
【００２２】
図２に示すように、フォイル２０は、軸受面Ｘを形成するトップフォイル部２１と、トップフォイル部２１の下流側（図２の左側）に設けられた差込部２２と、トップフォイル部２１の上流側（図２の右側）に設けられたバックフォイル部２３とを有する。
【００２３】
トップフォイル部２１は矩形状をなし、その表面の全域に軸受面Ｘが設けられる。差込部２２は、トップフォイル部２１の表面に沿って、トップフォイル部２１から下流側に突出する方向に延びている。図示例では、差込部２２が、軸受面Ｘに沿う方向で、軸２の回転方向Ｒと直交する方向（ラジアルフォイル軸受の場合は軸方向。図２では上下方向。）の複数箇所（例えば３箇所）に設けられる。トップフォイル部２１の下流側の端部のうち、各差込部２２の近傍には、トップフォイル部２１の縁から上流側に延びる微小な切り込み２１ａが設けられている。
【００２４】
バックフォイル部２３の上流側端部には、軸方向に離隔し、下流側に向けて凹んだ二つの切り欠き部２３ａが形成される。各切り欠き部２３ａの軸方向寸法は、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２３ａ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２３ａ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２３ａの軸方向両側には、それぞれ上流側に突出する突出部２３ｂが形成されている。
【００２５】
トップフォイル部２１とバックフォイル部２３との境界部で、かつ軸方向の複数箇所（差込部２２と同数）には、隣接するフォイル２０の差込部２２が差し込まれる、スリット状の差込口２４が設けられる。このうち、両端の差込口２４は、軸方向に沿って直線状に延びて、フォイル２０の両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口２４は、軸方向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。
【００２６】
図３に示すように、一方のフォイル２０の各差込部２２を、隣接するフォイル２０の差込口２４にそれぞれ差し込むことにより、２枚のフォイル２０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２０のうち、一方のフォイル２０にグレーの色を付している。
【００２７】
そして、図４に示すように、３枚のフォイル２０を図３と同様の結合手法により周状に連結する事で、３枚のフォイル２０を筒状に仮組みする事ができる。この仮組体を、図５に示すように円筒状に丸めた状態で、フォイルホルダ１０の内周に矢印Ｂ２の方向へ挿入する事で、フォイル軸受１が組み立てられる。具体的には、３枚のフォイル２０の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２０の差込部２２を、フォイルホルダ１０の一方の端面に開口した軸方向溝１１ａに軸方向一方側から差込む。以上により、３枚のフォイル２０が、フォイルホルダ１０の内周面１１に周方向に並べた状態で取り付けられる。
【００２８】
図６に示すように、各フォイル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２０同士が交差した状態となる。この交差部分よりも下流側では、一方のフォイル２０の差込部２２が、他方のフォイル２０の差込口２４を介して、軸受面Ｘを構成する他方のフォイル２０のトップフォイル部２１の背後に回り込み、フォイルホルダ１０の軸方向溝１１ａに挿入されている。交差部分よりも上流側では、他方のフォイル２０のバックフォイル部２３が、軸受面Ｘを構成する一方のフォイル２０のトップフォイル部２１の背後に配される。このバックフォイル部２３の上流側の端部は自由端であり、当該端部の位置は、フォイル２０の弾性変形に応じて周方向に変動する。
【００２９】
このフォイル軸受１では、各フォイル２０のトップフォイル部２１が他のフォイル２０のトップフォイル部２１と周方向で係合した状態にある。これにより、隣接するフォイル２０同士が周方向で互いに突っ張り合った状態となるため、各フォイル２０のトップフォイル部２１が外径側に張り出し、フォイルホルダ１０の内周面１１に沿った形状に湾曲する。各フォイル２０の下流側への移動は、各フォイル２０の差込部２２が軸方向溝１１ａに突き当たるために規制されるが、各フォイル２０の上流側への移動は規制されない。これにより、各フォイル２０は、フォイルホルダ１０の内周面１１に対して周方向で微小摺動（往復動）可能とされる。
【００３０】
図６に示すように、軸方向溝１１ａがフォイルホルダ１０の内周面１１の接線方向に対して角度θ１だけ僅かに傾斜して設けられるため、軸方向溝１１ａに挿入された差込部２２の近傍では、トップフォイル部２１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２１は、バックフォイル部２３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１１から離反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２１の軸受面Ｘと軸２の外周面の間に楔空間が形成される。また、トップフォイル部２１は、内径側に凸の湾曲部の弾性力や、バックフォイル部２３に乗り上げた部分の弾性力により、半径方向に弾性的に変位可能とされる。
【００３１】
軸２の回転中は、楔空間に生じた流体膜（本実施形態では空気膜）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２０の軸受面Ｘと軸２の間に環状のラジアル軸受隙間Ｃが形成され、軸２がフォイル２０に対して非接触の状態で回転自在に支持される。トップフォイル部２１の弾性変形により、ラジアル軸受隙間Ｃの隙間幅は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１においては理解の容易化のためラジアル軸受隙間Ｃの幅を誇張して描いている。
【００３２】
軸２の回転中は、軸受隙間Ｃの流体圧により、トップフォイル部２１がバックフォイル部２３に押さえ付けられて弾性変形するため、バックフォイル部２３に乗り上げたトップフォイル部２１には、軸受隙間Ｃの幅方向の段差が形成される。図３に示すように、各フォイル２０のバックフォイル部２３の上流側端部に切り欠き部２３ａを設けた場合には、トップフォイル部２１に形成される段差は、切り欠き部２３ａ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２１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、軸方向に離隔した二カ所に流体の圧力発生部が形成される。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２１に微小な切り込み２１ａを形成してトップフォイル部２１の剛性を低下させているため、トップフォイル部２１がバックフォイル部２３の切り欠き部２３ａ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。
【００３３】
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の流体圧力が不十分であるため、フォイル２０の軸受面Ｘと軸２の外周面とが接触摺動する。このとき、フォイル２０が樹脂材料、特に自己潤滑性を有する樹脂を主成分とした樹脂材料で形成されているため、軸受面Ｘの摺動性が高められ、軸受面Ｘの耐久性が向上する。また、フォイル２０が、導電性樹脂で形成されているため、空気との摩擦等により軸２に帯電した静電気が、導電性樹脂からなるフォイル２０の軸受面Ｘと接触することで放電される。これにより、軸２に過剰な静電気が帯電することが無いため、回転側の金属部材（例えば、軸２やタービン翼等）と静止側の金属部材（例えば、フォイルホルダ１０やタービンハウジング等）との間でスパークが発生する事態を防止できるため、これらの金属部材の早期の劣化を回避できる。
【００３４】
本発明は、上記の実施形態に限られない。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。
【００３５】
上記の実施形態では、フォイル２０全体が導電性樹脂で形成される場合を示したが、これに限られない。例えば、図７に示す実施形態では、フォイル２０が、金属シート２０ａと、その表面を構成する導電性樹脂からなる樹脂表層２０ｂとで構成される。樹脂表層２０ｂは、金属シート２０ａのうち、少なくとも軸受面Ｘを形成する領域（トップフォイル部）の全域を覆い、例えば、軸受面Ｘを形成する領域のみ、あるいは、フォイル２０の表側（軸受面Ｘ側）の面の全域を覆う。樹脂表層２０ｂは、例えば金属シート２０ａの表面に導電樹脂をコーティングすることにより、あるいは、金属シート２０ａをインサート部品とした射出成形により形成される。この場合、金属シート２０ａによりフォイル２０にバネ性を付与することができるため、樹脂表層２０ｂをバネ性を有する材料で形成する必要が無くなり、樹脂表層２０ｂの材料の選択の幅が広がる。
【００３６】
以上の実施形態では、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８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、下流側の一端を自由端とし、上流側の他端を固定端とした複数のフォイル２０（リーフ）を周方向に並べて配置したものである。各フォイル２０のうち、下流側の領域がトップフォイル部２１として機能し、上流側の領域がバックフォイル部２３として機能する。
【００３７】
また、図９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は、波形のバックフォイル部２３と、円筒状のトップフォイル部２１とが別体に設けられ、トップフォイル部２１とフォイルホルダ１０との間にバックフォイル部２３が配される。
【００３８】
さらに、本発明は、ラジアルフォイル軸受に限らず、軸２に設けたスラストカラーをスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受に適用することもできる。図１０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１１に示すように、各フォイル２０のうち、下流側の領域がトップフォイル部２１として機能し、上流側の領域がバックフォイル部２３として機能する。
【００３９】
なお、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２０が回転側部材となるので、遠心力によるフォイル２０全体の変形を考慮してフォイル２０の設計を行う必要がある。
【００４０】
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】
【００４１】
１     フォイル軸受
２     軸
１０   フォイルホルダ
２０   フォイル
２１   トップフォイル部
２２   差込部
２３   バックフォイル部
Ｃ     軸受隙間
Ｘ     軸受面
【図１】
2019070406.tif 000003
【図２】
2019070406.tif 000004
【図３】
2019070406.tif 000005
【図４】
2019070406.tif 000006
【図５】
2019070406.tif 000007
【図６】
2019070406.tif 000008
【図７】
2019070406.tif 000009
【図８】
2019070406.tif 000010
【図９】
2019070406.tif 000011
【図１０】
2019070406.tif 000012
【図１１】
2019070406.tif 000013