(57)【要約】本発明は、厚さ、ｔ≧０．１×Ｄ０．３３（ｔ：厚さ［ｍｍ］、Ｄ：軸径［ｍｍ］を表す）を有するトップフォイル（３）と、軸受部品の離脱を防止すると共にバンプを通過する隙間を閉塞するストッパーと、を含む、ラジアルフォイル軸受に関する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の厚さを有するトップフォイル（３）と、
ｔ≧０．１×Ｄ０．３３
（ｔ：厚さ［ｍｍ］、Ｄ：軸径［ｍｍ］）
軸受部品の離脱を防止すると共にバンプ（２）を通過する隙間を閉塞するストッパー（７）と、
を備えることを特徴とするラジアルフォイル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シール機能を含む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、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により、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 tilt 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。
【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)と当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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
米国内に出願された関連特許は次のようである。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，３００，８０６号
【特許文献２】米国特許第５，９１５，８４１号
【特許文献３】米国特許第５，９８８，８８５号
【特許文献４】米国特許第４，４６５，３８４号
【特許文献５】米国特許第５，４９８，０８３号
【特許文献６】米国特許第５，５８４，５８２号
【特許文献７】米国特許第６，０２４，４９１号
【特許文献８】米国特許明細第６，１９０，０４８号
【特許文献９】米国特許第４，６２４，５８３号
【特許文献１０】米国特許第３，８９３，７３３号
【特許文献１１】米国特許第３，８０９，４４３号
【特許文献１２】米国特許第４，１７８，０４６号
【特許文献１３】米国特許第４，６５４，９３９号
【特許文献１４】米国特許第４，００５，９１４号
【特許文献１５】米国特許第５，９１１，５１１号
【特許文献１６】米国特許第５，５３４，７２３号
【特許文献１７】米国特許第５，４２７，４５５号
【特許文献１８】米国特許第５，８６６，５１８号
【０００８】
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。
【０００９】
また、これまでフォイル軸受にシールの役割まで同時に果たさせようとする試みはなされておらず、フォイル軸受型のシールとしてフォイルシールといったものを試みたことはあったが、トップフォイルを変形した形態であり、軸受の役割は果たすことができないものとなっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１は、これまで使用されている代表的な形態の軸受であり、図２は、トップフォイル３の厚さを増大させた形態のものである。バンプ２があるところに流動が起こる恐れがあるためシールをさらに設置することを余儀なくされるという難点があり、軸の挙動によりシールの性能もかなり低下してしまう。
【００１１】
そこで、フォイル軸受の特性上、軸６とトップフォイル３との間の隙間だけを残して密閉することにより、シールの役割を果たすようにする。
【００１２】
したがって本発明の目的は、軸受の機能に加えてシールの役割を同時に果たすことのできるバンプ型フォイル軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、厚さ、ｔ≧０．１×Ｄ０．３３（ｔ：厚さ［ｍｍ］、Ｄ：軸径［ｍｍ］を表す）を有するトップフォイル（３）と、軸受部品の離脱を防止すると共にバンプを通過する隙間を閉塞するストッパーと、を含む、ラジアルフォイル軸受を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、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】図２は、厚いトップフォイルを有するフォイル軸受の形態を示す図である。
【図３】図３は、シール機能を含むフォイル軸受を示す図である。
【図４】図４は、シール機能を含むフォイル軸受の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は図２のバンプ型ラジアルフォイル軸受に適用してシールの機能を追加しようとするものであり、図４に示すように、旋盤加工により製作された十分な厚さを有するトップフォイル３とバンプ空間を閉塞するストッパー７を用いて軸と軸受との間の微細な隙間だけを残して流動隙間をいずれも除去することにより高性能のシール機能を提供する。
【００１６】
ここで、トップフォイル（３）の十分な厚さは、構造的な剛性と性能試験を通じて下記の関係を満足させるものであればよいということを確認した。
【００１７】
ｔ≧０．１×Ｄ０．３３
【００１８】
ｔ：厚さ［ｍｍ］、Ｄ：軸径［ｍｍ］
【００１９】
ストッパー７の内径は軸の挙動を考慮して軸径よりも大きくなければならず、トップフォイル３はストッパー７と軸方向に熱膨張などの余裕を持ってこそ、干渉を受けることなく機能をすることができる。
【００２０】
言うまでもなく、あらゆる種類のフォイル軸受は軸受部品の離脱を防止するストッパーを有する。
【００２１】
トップフォイルの厚さを増大させた軸受に対して、軸受離脱防止壁（ストッパー）を活用してシール機能を行うことができるものについてはこれまで試みられたことがなく、世界的なフォイル軸受会社であるＭｉｔｉ（http://www.miti.cc）においてもエアー・フォイル・シールを別途に開発しているのが現状である。
【００２２】
このため、この技術のように、ストッパーの寸法を変えて高性能のシール機能を行わせることにより、高速軸の長さをシールにより増大させなくてもシールの機能を行うことができるので、軸の安定性を増大させ、しかも、シール機能において顕著な性能の向上をもたらすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
以上述べたように、バンプ同士の空間を閉塞するストッパー７を設置すると、軸６とトップフォイル３との間に存在する微細な隙間だけが残留することから、最小の隙間を有する高性能のシールの機能を提供することができる。
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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