(57)【要約】【課題】構造が単純でありながら、回転軸の熱膨張を抑え、静圧気体軸受のような安定した回転を高速で且つ長時間に渡って得ることのできる気体軸受を提供する。【解決手段】ステンレス鋼短繊維焼結体等の多孔性物質で軸受１２を構成し、その軸受１２の周囲に保水部１４を設ける。保水部１４に水を保持させると、毛細管現象により、多孔性物質体である軸受１２を通して水が軸受１２と回転軸１１との隙間に輸送される。この水は、高速回転している高温の回転軸１１により加熱され、水蒸気となる。この水蒸気が潤滑流体として回転軸１１を支える。水の蒸発により、回転軸１１の熱膨張が抑えられ、且つ回転が安定する。保水部１４の水に圧力を印加する加圧装置を設けることにより、起動・停止時には静圧軸受としても作用する。【選択図】　図１
2004003530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）高温回転軸を受ける、多孔性物質から成る軸受と、
ｂ）該軸受の周囲を囲う保水部を備える給水部と、
を備えることを特徴とする高温回転軸用ハイブリッド気体軸受。
【請求項２】
軸受が、回転軸と同心の円筒状であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド気体軸受。
【請求項３】
上記多孔性物質が焼結金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド気体軸受。
【請求項４】
上記焼結金属がステンレス鋼短繊維を焼結したものであることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド気体軸受。
【請求項５】
上記多孔性物質が多孔性セラミックであることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド気体軸受。
【請求項６】
上記多孔性物質が、空孔径０．３〜３μｍ、空隙率３０〜６０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のハイブリッド気体軸受。
【請求項７】
上記給水部が、保水部の水を加圧するための装置を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のハイブリッド気体軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分散型電源用マイクロガスタービンなどの高温・高速回転軸への使用に適した気体軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分散型電源用マイクロガスタービンは、最高１５０，０００ｒｐｍ程度の高速回転となる上、タービン入口温度が９００℃以上となるため、軸受自体の温度も最高５００℃程度まで上昇する。また、長時間の連続運転が必要とされる上、一方では、市中ビル等の一般の施設で使用されることから、騒音低減や信頼性向上に対する要求も強い。マイクロガスタービン用軸受はこれらの要求性能を全て満たさなければならない。
【０００３】
一般に、軸受には転がり軸受や油軸受、気体軸受がある。このうち、高速回転用軸受としては、回転抵抗の小さい気体軸受が適している。気体軸受には動圧気体軸受と静圧気体軸受があり、動圧気体軸受は軸と軸受の相対的な移動により発生した圧力で軸を浮上させ、保持するのに対し、静圧気体軸受は軸受の外部から圧力を得て軸を浮上させ、保持する。静圧気体軸受は与圧装置が必要であることから軸受装置が大がかりになり、また、圧力の調整が難しいという欠点があるが、低速回転でも使用することができるという利点がある。なお、特開２００２−７０８６０号公報には、軸受に焼結多孔質金属や多孔質セラミック等の多孔性物質を用いた静圧気体軸受が開示されている。
【０００４】
一方、動圧気体軸受は、軸と軸受の相対速度が大きくないと作用しないが、与圧装置や圧力調整装置等が不要であるという利点がある。マイクロガスタービンでは、上記の通り軸が高速回転をするため、主に動圧気体軸受が使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
動圧気体軸受の最も基本的なものは真円軸受である。真円軸受は、真円の回転軸と円筒状の軸受からなり、構造が単純で製作も容易である。しかし、真円軸受は振れ回りが起こり易く、安定性が悪い。そこで、振れ回りを抑えるため、回転軸や軸受面に溝を設けるヘリングボーン軸受、軸受面が数個の円弧で構成されるティルティングパッド軸受、軸受面を弾性のある可撓面で構成するフォイル軸受などが考案されている。しかし、いずれの軸受も、高速回転になると少なからず振れ回りが発生してしまう。
【０００６】
動圧気体軸受をマイクロガスタービンに用いる場合、回転軸の振れ回りの問題の他に、タービンなどの駆動部からの熱伝導によりすでに高温になっている回転軸が、断熱状態で高速回転することにより更に加熱されて熱膨張を起こし、軸受に焼き付く恐れがあるという問題がある。このような回転軸の熱膨張を抑えるため、軸受隙間に圧縮空気を供給し、回転軸を冷却するという方法がある。しかし、これは軸受の構造を複雑化し、コストを上昇させる。また、圧縮機から供給される空気の温度が必ずしも一定ではないため、回転軸の熱膨張による寸法変化が見積もりにくく、必要以上の軸受隙間をとる必要がある。
【０００７】
一方、軸受に孔を設け、そこから軸受隙間に水を供給し、その水が蒸発して得られる水蒸気を潤滑流体とする排気ガスタービン用の軸受が特公平２−２０８５３号公報に開示されている。この軸受には放射状の貫通孔が複数本設けられている。しかし、このような構造では、孔が存在する箇所と存在しない箇所で水蒸気圧や温度が異なるため、回転軸の安定性が損なわれるという問題がある。
【０００８】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、構造が単純でありながら、回転軸の熱膨張を抑え、静圧気体軸受のような安定した回転を高速で且つ長時間に渡って得ることのできる気体軸受を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係るハイブリッド気体軸受は、
ａ）高温回転軸を受ける、多孔性物質から成る軸受と、
ｂ）該軸受の周囲を囲う保水部を備える給水部と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態及び効果】
軸受が多孔性物質から成るため、保水部が保持している水が毛細管現象により軸受を通って回転軸と軸受との間の隙間（軸受隙間）に輸送される。軸受隙間に達した水は、回転軸の熱により蒸発し、水蒸気となる。本発明に係る気体軸受では、この水蒸気が潤滑流体として、動圧軸受として動作する。なお、軸受隙間には大きな速度勾配が存在しているので、粘性散逸による発熱も僅かながら水の蒸発に寄与する。
【００１１】
高速回転時において、軸受面では水蒸発により気液二相共存状態になっている。気体膜の圧力から決まる気体膜の飽和温度に応じて、軸受面の温度がほぼ一定に保たれる。気体膜の圧力が高くなると気体膜の飽和温度が上がり、軸受面の温度も上がる。これにより回転軸と気体膜及び軸受面との温度差が減少し、水蒸気発生量が減少する。逆に気体膜圧力が低くなると蒸気発生量が増加する。このように気体膜の圧力に応じて、毛細管現象により自然に水の輸送が行われるので、特に水の供給・圧力調整の操作を行う必要はない。従って、本願発明に係る気体軸受は静圧的でもある。すなわち、本発明に係る気体軸受は半動圧・半静圧気体軸受であり、ハイブリッド気体軸受である。
【００１２】
本発明に係る軸受は、次のような利点を有する。
（１）軸受の安定化
本発明に係る軸受では、水は多孔性物質が有するあらゆる細孔から軸受隙間へ水が輸送されるため、上記の特公平２−２０８５３号公報の軸受のような不均一性がなく、回転軸は均等な圧力で軸受面に保持される。回転軸の偏心率が大きい場合は気体膜の圧力が高くなり、偏心率が小さい場合は気体膜圧力が低くなる。このような自己調整作用により、回転軸の振れ回りが抑えられ、安定した高速回転が得られる。また、軸受面からの水蒸発に伴う静圧が軸の振動を減衰するため、水蒸発により軸受安定性が向上する。
【００１３】
（２）軸の冷却作用
通常、回転軸の方が気体膜及び軸受面よりも高温なので、この温度差を利用した熱伝導による放熱・冷却効果が得られる。また、軸受面からの水蒸発の際に高温の軸から蒸発潜熱を奪うため、軸が冷却される。高速回転時において、軸受面では水蒸発により気液二相共存状態になっているが、気体膜の圧力から決まる気体膜の飽和温度に応じて、軸受面の温度がほぼ一定に保たれる。このように、回転軸の熱膨張が抑えられ、熱膨張による寸法変化が見積もり易くなることから、軸受隙間をより狭く設計することができる。
【００１４】
本発明に係る気体軸受では、更に、保水部に加圧装置を設けることにより、起動・停止時の静圧潤滑が可能となる。すなわち、保水部への加圧により、多孔性物質を通して水が軸受隙間に満たされ、気体潤滑では十分な圧力発生が得られない起動・停止時においても回転軸を高い剛性で支持することができる。
【００１５】
軸受は、回転軸と同心の円筒状とすることが望ましい。これにより、保水部の水は、圧力を付与する場合も付与しない場合も、均等量が軸受隙間に輸送される。
【００１６】
軸受の多孔性物質には、焼結金属や多孔性セラミックを用いることができる。燒結金属は、軸受としての機械強度及び耐衝撃性の点で有利である。一方、多孔性セラミックは、耐熱性及び耐食性がより強く要求される場合に有利である。
いずれの多孔性物質を使用するにせよ、本発明の目的のためには、空孔径は最大でも数十μｍ程度、望ましくは１０μｍ以下、空隙率は３０〜６０％程度としておくことが好ましい。
【００１７】
焼結金属としては、ガスフィルターとして市販されている、ステンレス鋼短繊維を焼結した焼結金属フィルター（例えば、日本精線株式会社製超精密オールメタルガスフィルターＮＡＳｃｌｅａｎ）が、空孔径０．３〜３μｍ程度と小さいため、本発明に係る軸受としても好適に利用することができる。
【００１８】
上記のように、本発明に係るハイブリッド気体軸受は構造的に単純であり、自己調整機能を有する。従って、高温回転軸が高速で回転を行うマイクロガスタービンに特に適した軸受である。
【００１９】
【実施例】
本発明のハイブリッド気体軸受について、コンピュータシミュレーションを行った。シミュレーションの前に、本発明の軸受の基礎方程式であるレイノルズ方程式、水の蒸発速度νを記述する気体のエネルギ式、及び軸の運動方程式を明らかにしておく。まず、レイノルズ方程式は次の通りである。
【数１】
2004003530.tif 000003
ここで、ｐ：軸受隙間内の圧力、ｒ：軸半径座標、θ：周方向座標、ｚ：軸方向座標、ｔ：時間、ρ：水蒸気の密度、η：水蒸気の粘性係数、ｈ：軸受隙間、Ｕ：軸の周速、ν：水の蒸発速度、である。軸受表面での水蒸発に伴い、右辺第三項の蒸発項が付加される。
【００２０】
蒸発速度は、軸からの蒸気を通しての熱伝導と粘性散逸による発熱が全て水の蒸発に用いられるとして、次の気体のエネルギ式より導く。
【数２】
2004003530.tif 000004
ここで、Ｒ：軸半径、τ０：軸表面でのせん断応力、ｑ：軸から軸受表面への熱流束、Ｌ：水の蒸発潜熱、ｃｐ：水の定圧比熱、Ｔｓａｔ：水の飽和温度、Ｔｗａｔｅｒ：水の供給温度、である。式（２）の分子第一項は粘性散逸による発熱を、分子第二項は軸からの熱伝導を表している。また、分母第一項は蒸発潜熱を、第二項は飽和温度まで温度を上昇させるのに必要な顕熱を表している。なお、熱流束ｑの計算においては、軸温度は一定であると仮定した。
【００２１】
軸の運動方程式は次式の通りである。なお、軸の運動は軸方向の至る断面で一様であると仮定した。
【数３】
2004003530.tif 000005
【数４】
2004003530.tif 000006
ここで、ｍ：軸質量、ｃ：半径隙間（＝軸受内径−軸半径）、ε：偏心位置（＝偏心量／半径隙間）、ｆ：軸に働く圧力の総和、添え字ｘ：水平方向、ｙ：鉛直方向である。
【００２２】
シミュレーションを行った軸受の構造を図１に示す。回転軸１１の周囲に多孔性物質から成る軸受１２を設け、その外側に給水部１３を設ける。軸受１２の外周面と給水部１３の内周面は回転軸１１と同心の円筒状とし、両者の間の保水部１４に水を保持する。
【００２３】
シミュレーションの条件は次の通りである。
回転軸直径　１５ｍｍ、軸受幅　１５ｍｍ、半径隙間　１０μｍ、回転軸質量　１ｋｇ、回転軸温度　４００Ｋ、軸受温度　２９３．１５Ｋ
なお、回転軸は図１（ｂ）において時計方向に回転するものとし、以降のグラフにおいてもその回転方向を前提としている。
【００２４】
経過時間ｔ＝０ｓにおける回転軸の軸心位置、すなわち初期偏心位置（εｘ，εｙ）＝（−０．３，０）とし、ｔ＝０．０２５ｓまでは軸心位置を初期偏心位置に固定する。ここで、εｘは軸心の偏心率の水平方向成分を、εｙは鉛直方向成分を示す。
【００２５】
比較として、上記ハイブリッド軸受と同条件の真円軸受を同様にシミュレーションした。これは、軸受隙間に水（水蒸気）と同じ物性値（密度・粘性係数）の流体が存在するものの蒸発は生じないとして、静圧的な寄与を明らかにするために行ったものである。
【００２６】
上記条件の下で式（１）−（４）を数値計算により解き、以下の結果を得た。まず、回転速度が１５０００ｒｐｍの場合について、ハイブリッド気体軸受の軸心軌跡を図２に、偏心率［（εｘ２＋εｙ２）１／２］の推移を図３に示す。また、真円軸受の軸心軌跡を図４に、偏心率の推移を図５に示す。
【００２７】
図２より、次のようなことが分かる。ハイブリッド気体軸受では、まず、軸心位置の固定が解除された直後は、重力と発生圧力により、軸心位置が斜め下方に落下していく。その後、十分な圧力発生が得られる偏心率に達すると、軸心位置は、重力と回転軸に働く圧力が釣り合う位置に向かって回転方向と一致する渦状の軌跡を描きながら収束していく。また、図３より、固定解除直後は、回転軸の落下に伴い偏心率が増加するが、その後振動しながら、定常位置に向かって収束することが確認できる。
【００２８】
一方、図４及び図５より、真円軸受では、蒸気による静圧が存在しないため、ハイブリッド気体軸受に比べて偏心率及び偏心角が大きくなることが分かる。
【００２９】
さらに、回転速度が３００００ｒｐｍの場合におけるハイブリッド気体軸受と真円軸受の軸心軌跡を図６と図７に示す。図６より、ハイブリッド気体軸受は、１５０００ｒｐｍの場合と同様に、渦状の軌跡を描きながら定常位置に軸心位置が収束することが確認できる。一方、図７より、真円軸受は、触れ回りを生じて軸受面と回転軸の接触に至り、不安定であることが分かる。
【００３０】
このシミュレーションにより、真円軸受では不安定となる運転条件下でも、ハイブリッド気体軸受では安定しており、真円軸受に比べて優れた安定性があることが確認できた。
【００３１】
さらに、回転軸の熱伝導方程式をシミュレーションに組み込み、回転軸の温度分布を求めた。一方の軸受端の温度を６００Ｋに固定し、もう一方の軸受端の温度境界条件を自由端とした。結果を図８に示す。水の蒸発により、軸受幅１５ｍｍの軸受の両端で２００Ｋ以上の温度差が生じており、回転軸の冷却作用があることが確認できた。
【００３２】
次に、本発明に係るハイブリッド気体軸受を備えた回転装置を試作した。その構成を図９に示す。回転軸９１は、両端を静圧軸受９５により保持し、その中央部で軸受９２により保持する。回転軸９１は一方の端部でベローズカップリング９８を介して駆動モータ９６により回転駆動される。９７はモータブラケットである。軸受９２の周囲には給水部９３を設け、軸受９２の周囲に保水部９４を確保する。保水部９４内には水を満たす。保水部９４の水は加圧装置９９により加圧可能となっている。
【００３３】
軸受９２は、ステンレス鋼短繊維を焼結成形したもの（日本精線株式会社製ＳＵＳ３１６短繊維焼結体（商品名：ＮＡＳＬＯＮ））を用いた。軸受９２の諸元は、空隙率：４４．２％、平均空孔径：１．０μｍ、公称長さ：１３０ｍｍ、公称内径：１６．５ｍｍ、公称外径：２４ｍｍである。軸受９２の透水特性を図１０に示す。軸受９２の単位時間あたりの透水量は、軸受９２の周囲（保水部９４）の水への印加圧力の２乗に比例する。
【００３４】
回転軸９１は、軸受９２との半径隙間が１５μｍ以下になるように作製した。材質としては、回転軸９１と軸受９２が焼き付きを起こした場合に、ステンレス製焼結金属からなる軸受９２への損傷を小さくするためにＡ２０１７アルミ合金を用いた。回転軸９１の諸元は、公称外径：１６．５ｍｍ、公称長さ：２７０ｍｍ、質量：２７５．３ｇ（軸本体１３３．５ｇ＋付加質量１４１．８ｇ）である。
【００３５】
初めに、水潤滑による起動実験を行った。駆動モータ９６の回転速度を測定するため、予め駆動モータ９６の出力軸に反射シールを貼っておく。軸受９２周囲（保水部９４）の水への印加圧力を０．１ＭＰａとして軸受隙間への水の輸送を促進し、軸受隙間に水が満たされ次第、駆動モータ９６を起動した。光センサにより駆動モータ９６の回転速度を測定しながら速度を上げたところ、駆動モータ９６の許容回転速度である２２０００ｒｐｍまで、回転軸９１は安定した回転運動を行うことができた。これにより停止状態からの起動時に優れた潤滑特性を得られることが示された。
【００３６】
次に、水潤滑から気体潤滑への移行実験を行った。保水部９４の水への印加圧力を０．１ＭＰａとして水潤滑状態を保持した状態で駆動モータ９６の回転速度を１００００ｒｐｍまで上げた。回転軸９１が１００００ｒｐｍで安定して回転しているのを確認した後、保水部９４の水への印加圧力を徐々に下げ、気体潤滑に移行させた。印加圧力が０ＭＰａになった後も回転軸９１は安定した回転運動を行うことができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】シミュレーションを行ったハイブリッド気体軸受の斜視図（ａ）及び正面図（ｂ）。
【図２】シミュレーション結果：ハイブリッド気体軸受の軸心軌跡のグラフ（回転速度１５０００ｒｐｍ）。
【図３】シミュレーション結果：ハイブリッド気体軸受の偏心率の経時変化のグラフ（回転速度１５０００ｒｐｍ）。
【図４】シミュレーション結果：真円軸受の軸心軌跡のグラフ（回転速度１５０００ｒｐｍ）。
【図５】シミュレーション結果：真円軸受の偏心率の経時変化のグラフ（回転速度１５０００ｒｐｍ）。
【図６】シミュレーション結果：ハイブリッド気体軸受の軸心軌跡のグラフ（回転速度３００００ｒｐｍ）。
【図７】シミュレーション結果：真円軸受の軸心軌跡のグラフ（回転速度３００００ｒｐｍ）。
【図８】シミュレーション結果：回転軸の温度分布のグラフ。
【図９】本発明に係るハイブリッド気体軸受を備えた回転装置の構成図。
【図１０】ＳＵＳ３１６短繊維焼結体軸受の透水特性のグラフ。
【符号の説明】
１１…回転軸
１２…軸受
１３…給水部
１４…保水部
９１…回転軸
９２…軸受
９３…給水部
９４…保水部
９５…静圧軸受
９６…駆動モータ
９７…モータブラケット
９８…ベローズカップリング
９９…加圧装置
【図１】
2004003530.tif 000007
【図２】
2004003530.tif 000008
【図３】
2004003530.tif 000009
【図４】
2004003530.tif 000010
【図５】
2004003530.tif 000011
【図６】
2004003530.tif 000012
【図７】
2004003530.tif 000013
【図８】
2004003530.tif 000014
【図９】
2004003530.tif 000015
【図１０】
2004003530.tif 000016