(57)【要約】【課題】テーパ状の軸受隙間を有するフォイル軸受において、支持力を高めると共に、軸受隙間への異物の侵入を防止する。【解決手段】フォイル軸受１０は、テーパ状外周面１１ａを有する内方部材１１と、テーパ状内周面１２ａ１を有する側部１２ａ、及び、側部１２ａの軸方向一方側の端部から内径向きに延びるシール部１２ｂを有する外方部材１２と、外方部材１２のテーパ状内周面１２ａ１に取り付けられたフォイル１３と、内方部材１１の端面１１ｂとシール部１２ｂの端面１２ｂ１との間に設けられたシール空間Ｓ１，Ｓ２とを備え、フォイル１３と内方部材１１のテーパ状外周面１１ａとの間のテーパ状の軸受隙間Ｇ１，Ｇ２内の流体圧で、内方部材１１を相対回転自在に支持する。内方部材１１の端面１１ｂに、内方部材１１の相対回転に伴ってシール空間Ｓ１，Ｓ２内の流体を外径側に押し込むポンプ１５が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向一方側を大径としたテーパ状外周面を有する内方部材と、前記内方部材のテーパ状外周面と対向し、軸方向一方側を大径としたテーパ状内周面を有する側部、及び、前記側部の軸方向一方側の端部から内径向きに延びるシール部を有する外方部材と、前記外方部材のテーパ状内周面又は前記内方部材のテーパ状外周面に取り付けられたフォイルと、前記内方部材の軸方向一方の端面と前記シール部の端面との間に設けられたシール空間とを備え、前記フォイルが面するテーパ状の軸受隙間内の流体圧で前記内方部材を相対回転自在に支持するフォイル軸受であって、
前記内方部材の軸方向一方の端面又は前記シール部の端面に、前記内方部材の相対回転に伴って前記シール空間内の流体を外径側に押し込むポンプが設けられたフォイル軸受。
【請求項２】
小径側の端部が軸方向で向かい合うように配された一対のテーパ状外周面を有する内方部材と、前記内方部材の一対のテーパ状外周面と対向し、小径側の端部が軸方向で向かい合うように配された一対のテーパ状内周面を有する側部、及び、前記側部の軸方向両側の端部から内径向きに延びる一対のシール部を有する外方部材と、前記外方部材の一対のテーパ状内周面又は前記内方部材の一対のテーパ状外周面に取り付けられたフォイルと、前記内方部材の軸方向両端面と前記一対のシール部の端面との間に設けられた一対のシール空間とを備え、前記フォイルが面する一対のテーパ状の軸受隙間内の流体圧で前記内方部材を相対回転自在に支持するフォイル軸受であって、
前記内方部材の軸方向両端面又は前記一対のシール部の端面に、前記内方部材の相対回転に伴って前記一対のシール空間内の流体を外径側に押し込むポンプが設けられたフォイル軸受。
【請求項３】
前記一対のシール空間を連通する空間が、軸方向両端を除いて閉塞されている請求項２に記載のフォイル軸受。
【請求項４】
前記ポンプが、放射状に延びる凸部あるいは凹部である請求項１〜３の何れか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項５】
前記ポンプが、スパイラル状に延びる凸部あるいは凹部である請求項１〜３の何れか１項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】
例えば、自動車のエンジンなどに装着されるターボチャージャ用軸受は、高温且つ高速の過酷な条件で使用される。このような軸受としては、例えばすべり軸受やセラミックボールを用いたハイブリッド玉軸受が使用され、軸受にエンジンオイルを供給することで冷却している。このように軸受にエンジンオイルを供給することで、（１）オイルの経路が必要となる、（２）エンジンオイル量が増す、（３）エンジンオイルが高温にさらされ劣化が進む、（４）エンジンオイルが排気に混ざり発煙する、などの問題が生じる。
【０００３】
そこで、上記のような高温且つ高速条件で使用される軸受として、潤滑剤として油を使用しない空気動圧軸受が着目されている。空気動圧軸受では、軸受隙間の管理が不十分であると振れ回りが生じやすいため、使用される回転速度に応じた隙間管理が重要となる。しかし、ターボチャージャやガスタービンのように、温度変化の激しい環境では、熱膨張の影響で軸受隙間の幅が変動するため、精度の良い隙間管理は極めて困難である。
【０００４】
温度変化の大きい環境下でも隙間管理を容易にできる空気動圧軸受として、フォイル軸受が知られている。フォイル軸受は、可撓性を有する薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、軸受面のたわみを許容することで荷重を支持するものである。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た適切な軸受隙間が形成されるため、安定性に優れている。
【０００５】
上記のようなターボチャージャの主軸をフォイル軸受で支持する場合、通常、主軸をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受と、主軸をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受とが設けられる（例えば、下記の特許文献１参照）。この場合、部品数が多くなるため、ターボチャージャの内部のような限られたスペースに配置することが困難となる場合がある。
【０００６】
例えば、下記の特許文献２には、外方部材の内周面及び内方部材（軸）の外周面にテーパ面を設け、外方部材のテーパ面にフォイルを取り付けたフォイル軸受が示されている。この場合、フォイルの軸受面と内方部材のテーパ面との間にテーパ状の軸受隙間が形成され、この軸受隙間内の流体圧で内方部材が回転自在に支持される。このフォイル軸受は、内方部材をラジアル方向及びスラスト方向に支持することができるため、部品数が削減され、狭いスペースにも配置することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−１８３５６８号公報
【特許文献２】特開２０１３−３２７９７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、上記特許文献２に示されているフォイル軸受は、内方部材と外方部材とが相対回転したとき、軸受隙間内の流体が遠心力で大径側から排出されやすい。このため、軸受隙間内の流体圧が高まりにくく、十分な支持力が得られない恐れがある。また、フォイル軸受の周囲に浮遊している異物が、軸受隙間に侵入すると、回転に支障を来たす恐れがある。
【０００９】
本発明が解決すべき課題は、テーパ状の軸受隙間を有するフォイル軸受において、支持力を高めると共に、軸受隙間への異物の侵入を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明は、軸方向一方側を大径としたテーパ状外周面を有する内方部材と、前記内方部材のテーパ状外周面と対向し、軸方向一方側を大径としたテーパ状内周面を有する側部、及び、前記側部の軸方向一方側の端部から内径向きに延びるシール部を有する外方部材と、前記外方部材のテーパ状内周面又は前記内方部材のテーパ状外周面に取り付けられたフォイルと、前記内方部材の軸方向一方の端面と前記シール部の端面との間に設けられたシール空間とを備え、前記フォイルが面するテーパ状の軸受隙間内の流体圧で前記内方部材を相対回転自在に支持するフォイル軸受であって、前記内方部材の軸方向一方の端面又は前記シール部の端面に、前記内方部材の相対回転に伴って前記シール空間内の流体を外径側に押し込むポンプが設けられたフォイル軸受を提供する。
【００１１】
このフォイル軸受では、内方部材と外方部材との相対回転に伴って、テーパ状の軸受隙間内の流体が遠心力で大径側（軸方向一方側）に押し出される。このとき、軸受隙間の大径側の端部はシール空間の外径端と連通しているため、内方部材の相対回転に伴ってシール空間内の流体がポンプで外径側に押し込まれることにより、テーパ状の軸受隙間内の流体が大径側から押し込まれる。これにより、軸受隙間大径側から流体が流出することが防止され、軸受隙間内の流体圧が高められる。また、シール空間の外径側に流体を押し込むことにより、シール空間内の流体圧が常に正圧となるため、外部から異物が侵入しにくくなる。
【００１２】
また、前記課題を解決するために、本発明は、小径側の端部が軸方向で向かい合うように配された一対のテーパ状外周面を有する内方部材と、前記内方部材の一対のテーパ状外周面と対向し、小径側の端部が軸方向で向かい合うように配された一対のテーパ状内周面を有する側部、及び、前記側部の軸方向両側の端部から内径向きに延びる一対のシール部を有する外方部材と、前記外方部材の一対のテーパ状内周面又は前記内方部材の一対のテーパ状外周面に取り付けられたフォイルと、前記内方部材の軸方向両端面と前記一対のシール部の端面との間に設けられた一対のシール空間とを備え、前記フォイルが面する一対のテーパ状の軸受隙間内の流体圧で前記内方部材を相対回転自在に支持するフォイル軸受であって、前記内方部材の軸方向両端面又は前記一対のシール部の端面に、前記内方部材の相対回転に伴って前記一対のシール空間内の流体を外径側に押し込むポンプが設けられたフォイル軸受を提供する。
【００１３】
このフォイル軸受でも、上記のフォイル軸受と同様に、内方部材の相対回転に伴ってシール空間内の流体がポンプで外径側に押し込まれることにより、テーパ状の軸受隙間内の流体が大径側から押し込まれるため、軸受隙間内の流体圧が高められると共に、シール空間内を常に正圧にして異物の侵入を防止することができる。また、一対のテーパ状の軸受隙間が、小径側の端部が軸方向で向かい合うように配されるため、外方部材に対して内方部材を両スラスト方向で支持することができる。
【００１４】
このフォイル軸受では、一対のシール空間内の流体がポンプで外径側に押し込まれることにより、一対のシール空間の間の空間に軸方向両側から流体が押し込まれる。このとき、一対のシール空間を連通する空間が、軸方向両端を除いて閉塞されていると、この空間の圧力が高まりやすいため、各軸受隙間内の流体圧がさらに高められる。
【００１５】
上記のようなポンプとして、例えば、放射状あるいはスパイラル状に延びる凸部あるいは凹部を設けることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、テーパ状の軸受隙間内の流体圧が高められることで、支持力を高めることができる。また、シール空間を常に正圧にすることで、軸受隙間への異物の侵入を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るフォイル軸受を有するターボ機械の断面図である。
【図２】上記フォイル軸受の内方部材の正面図である。
【図３】他の実施形態に係る内方部材の正面図である。
【図４】上記フォイル軸受の軸直交方向の断面図である。
【図５】他の実施形態に係るフォイル軸受を有するターボ機械の断面図である。
【図６】他の実施形態に係るフォイル軸受を有するターボ機械の断面図である。
【図７】他の実施形態に係るフォイル軸受の軸直交方向の断面図である。
【図８】他の実施形態に係るフォイル軸受の軸直交方向の断面図である。
【図９】図８のフォイル軸受のフォイルの斜視図である。
【図１０】図９のフォイルを複数組み合わせた状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に、例えばガスタービンやターボチャージャとして用いられるターボ機械を概念的に示す。このターボ機械は、翼列を有するタービン１及び圧縮機２と、タービン１及び圧縮機２が固定された軸３と、軸３を回転自在に支持するフォイル軸受１０とを備える。図示例では、タービン１と圧縮機２との間にフォイル軸受１０が設けられる。尚、ターボ機械の構成はこれに限らず、例えば、タービン１と圧縮機２とを隣接させ、これらの軸方向一方側あるいは軸方向両側にフォイル軸受１０を設けてもよい。
【００２０】
フォイル軸受１０は、内方部材１１と、外方部材１２と、フォイル１３とを有する。
【００２１】
内方部材１１は、軸３の外周に固定される。内方部材１１は、一対のテーパ状外周面１１ａを有する。一対のテーパ状外周面１１ａは、小径側の端部同士が軸方向に向かい合うように配される。図示例では、一対のテーパ状外周面１１ａの小径側の端部同士が直接連結される。内方部材１１は、一対のテーパ状外周面１１ａの境界（軸方向中央部）で分割されている。
【００２２】
外方部材１２は、図示しないハウジングに固定される。外方部材１２は、筒状の側部１２ａと、側部１２ａの軸方向両側に設けられた一対のシール部１２ｂとを有する。
【００２３】
側部１２ａには、一対のテーパ状内周面１２ａ１が設けられる。一対のテーパ状内周面１２ａ１は、小径側の端部同士が軸方向に向かい合うように配される。図示例では、一対のテーパ状内周面１２ａ１の小径側の端部同士が直接連結される。各テーパ状内周面１２ａ１は、内方部材１１の各テーパ状外周面１１ａと平行であり、法線方向で互いに対向している。側部１２ａは、一対のテーパ状内周面１２ａ１の境界（軸方向中央部）で分割されている。尚、側部１２ａを一体に形成してもよい。
【００２４】
シール部１２ｂは、側部１２ａの軸方向両側に設けられる。各シール部１２ｂは、側部１２ａの軸方向外側の端部から内径向きに延びる円盤状を成している。各シール部１２ｂの内周面１２ｂ１は、軸３の外周面と半径方向で対向している。各シール部１２ｂの端面１２ｂ２は、内方部材１１の端面１１ｂと軸方向で対向し、これらの間に一対のシール空間Ｓ１，Ｓ２が形成される。シール空間Ｓ１，Ｓ２は、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の大径側の端部とつながっている。シール空間Ｓ１，Ｓ２の軸方向幅は、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の幅（軸受面の法線方向の幅）よりも大きい。尚、シール部１２ｂは、側部１２ａと一体に形成してもよい。
【００２５】
シール空間Ｓ１，Ｓ２を介して対向する面（シール部１２ｂの端面１２ｂ２及び内方部材１１の端面１１ｂ）の何れか一方には、内方部材１１の回転に伴って各シール空間Ｓ１，Ｓ２内の流体を外径側に押し込むポンプ１５が設けられる。ポンプ１５は、回転側の部材に設けることが好ましく、本実施形態では内方部材１１の軸方向両端面１１ｂに設けられる。ポンプ１５は、例えば、放射状に延びる凸部あるいは凹部（図２参照）や、スパイラル状に延びる凸部あるいは凹部（図３参照）で構成される。尚、図３の矢印は、内方部材１１の回転方向を示す。
【００２６】
フォイル１３は、外方部材１２の一対のテーパ状内周面１２ａ１に取り付けられる。本実施形態のフォイル１３は、図４に示すように、金属製のトップフォイル１３ａと、トップフォイル１３ａを背後から弾性支持する金属製のバックフォイル１３ｂとからなる。トップフォイル１３ａは、１枚のテーパ状のフォイルからなり、内周面に平滑なテーパ状の軸受面が設けられる。バックフォイル１３ｂは、全体的にテーパ状を成した１枚のフォイルからなり、トップフォイル１３ａと外方部材１２のテーパ状内周面１２ａ１との間に配置される。バックフォイル１３ｂは、半径方向に弾性的に圧縮可能とされる。図示例のバックフォイル１３ｂは、円周方向複数箇所から外径に向けて突出した屈曲部１３ｂ１を有する。トップフォイル１３ａ及びバックフォイル１３ｂの周方向一端は、外方部材１２のテーパ状内周面１２ａ１に固定される。
【００２７】
トップフォイル１３ａ及びバックフォイル１３ｂ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からなる薄膜のフォイルで形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。従って、トップフォイル１３ａ及びバックフォイル１３ｂは、ステンレス鋼もしくは青銅で形成することが好ましい。
【００２８】
軸３及び内方部材１１が回転すると、フォイル軸受１０の各フォイル１３のトップフォイル１３ａの軸受面と内方部材１１の一対のテーパ状外周面１１ａとの間にテーパ状の軸受隙間Ｇ１，Ｇ２が形成され、この軸受隙間Ｇ１，Ｇ２に生じる流体膜で、軸３及び内方部材１１がラジアル方向及び両スラスト方向に非接触支持される（図１参照）。特に、本実施形態のように軸３を水平状態で回転させる場合、外方部材１２及びフォイル１３に対して内方部材１１が自重により下方に偏心するため、これらの間に円周方向一方に向けて狭まった楔状の軸受隙間Ｇ１，Ｇ２が形成される。そして、内方部材１１の回転に伴って楔状の軸受隙間Ｇ１，Ｇ２内の流体が幅狭側へ押し込まれることにより、流体膜の圧力が高められる。尚、実際の軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の幅は数十μｍ程度の微小なものであるが、図１ではその幅を誇張して示している。
【００２９】
このとき、トップフォイル１３ａ及びバックフォイル１３ｂが有する可撓性により、トップフォイル１３ａの軸受面が、荷重や軸３の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に変形するため、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２は運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、高温、高速回転といった過酷な条件下でも、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２を最適幅に管理することができ、軸３を安定して支持することが可能となる。
【００３０】
また、内方部材１１が回転すると、テーパ状の軸受隙間Ｇ１，Ｇ２内の流体は、遠心力により大径側（軸方向外側）に移動しようとする。本実施形態では、各軸受隙間Ｇ１,  Ｇ２の外径端がそれぞれシール空間Ｓ１，Ｓ２に連通しており、内方部材１１の回転に伴って、シール空間Ｓ１，Ｓ２内の流体が、内方部材１１の端面１１ｂに設けたポンプ１５により外径側に押し込まれる。これにより、各軸受隙間Ｇ１，Ｇ２内の流体が大径側（軸方向外側）から押し込まれるため、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２内の流体が大径側から流出する事態が防止され、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２内の流体圧が高まりやすくなる。
【００３１】
特に、本実施形態では、シール空間Ｓ１，Ｓ２を連通する空間（軸受隙間Ｇ１，Ｇ２を含む空間）が、軸方向両端を除いて閉塞されている。図示例では、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の小径側の端部同士が直接連結されている。この場合、内方部材１１が回転すると、内方部材１１に設けたポンプ１５により、シール空間Ｓ１，Ｓ２内の流体が上記の閉塞空間に軸方向両側から押し込まれる。これにより、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２内の流体圧がより一層高まりやすくなる。
【００３２】
尚、軸３の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイル１３のトップフォイル１３ａの軸受面と内方部材１１のテーパ状外周面１１ａとが接触摺動するため、これら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。また、フォイル１３と外方部材１２のテーパ状内周面１２ａ１との間の微小摺動による摩擦力を調整するために、これらの何れか一方または双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。
【００３３】
本発明は上記の実施形態に限られない。尚、以下の説明において、上記の実施形態と同様の機能を有する箇所には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００３４】
上記の実施形態では、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の小径側の端部同士が連結された場合を示したが、これに限られない。例えば、図５に示す実施形態では、上記のフォイル軸受１０を分割した一対のフォイル軸受２０を、軸方向に離隔して配している。この場合、モーメント荷重に対する軸受剛性は高められる。
【００３５】
しかし、図５のフォイル軸受２０では、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の小径側端部が大きな空間（非閉塞空間）に開口するため、この開口部から軸受隙間Ｇ１，Ｇ２内の流体圧が逃げる恐れがある。従って、各軸受隙間Ｇ１，Ｇ２内の流体圧を高める観点からは、図１のフォイル軸受１０のように、シール空間Ｓ１，Ｓ２を連通する空間を、軸方向両端を除いて閉塞することが好ましい。この場合、図１に示すように軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の小径側端部同士を直接連結する他、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の間に容積の小さい空間を設けてもよい。例えば、図６に示すフォイル軸受３０は、内方部材１１の一対のテーパ状外周面１１ａの小径端部同士をつなぐ円筒面１１ｃ、及び、外方部材１２の一対のテーパ状内周面１２ａ１の小径端部同士をつなぐ円筒面１２ａ２を有する。この場合、両円筒面１１ｃ，１２ａ２の間の空間の半径方向幅は、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２の半径方向寸法と同等となる。
【００３６】
また、図５に示すフォイル軸受２０の一方のみを使用してもよい。この場合、異物が生じやすいタービン１側にシール部１２ｂが配されるように配置することが好ましい。
【００３７】
また、上記の実施形態では、フォイル１３をトップフォイル１３ａ及びバックフォイル１３ｂで構成した場合を示したが、これに限られない。例えば、図７に示す実施形態では、外方部材１２のテーパ状内周面１２ａ１に、複数のリーフ型のフォイル１７を円周方向に並べて配している。各フォイル１７は、下流側の端部１７ａが自由端とされ、上流側の端部１７ｂが外方部材１２に固定される。各フォイル１７と内方部材１１のテーパ状外周面１１ａとの間に、軸受隙間Ｇ１，Ｇ２が形成される。
【００３８】
また、図８示す実施形態では、各フォイル１８の下流側の端部に設けられた差込部１８ａが、外方部材１２のテーパ状内周面１２ａ１に設けられた溝１２ａ２に差し込まれ、各フォイル１８の上流側の端部に設けられたアンダーフォイル部１８ｂが、隣接するフォイル１８と外方部材１２のテーパ状内周面１２ａ１との間に配される。図９に示すように、フォイル１８の上流側の端部付近には差込口１８ｃが設けられる。図１０に示すように、各フォイル１８の差込部１８ａを、隣接するフォイルの差込口１８ｃに差し込むことにより、複数のフォイル１８が一体化される。尚、図９及び図１０では、便宜上、略矩形状のフォイル１８を円筒状に組み立てた状態を示しているが、実際には、各フォイル１８は略扇形を成し、これらがテーパ状に組み立てられる。
【００３９】
また、以上の実施形態では、外方部材１２を固定側、内方部材１１を回転側とした場合を示したが、これに限らず、例えば外方部材１２を回転側、内方部材１１を固定側としてもよい。あるいは、外方部材１２及び内方部材１１の双方を回転させ、これらを相対的に回転させてもよい。
【００４０】
また、以上の実施形態では、外方部材１２にフォイル１３を取り付けた場合を示したが、これに限らず、内方部材１１のテーパ状外周面１１ａにフォイル１３を取り付けてもよい。ただし、フォイル１３を回転側の部材に取り付けると、遠心力でフォイル１３が破損する恐れがあるため、フォイル１３は固定側の部材に取り付けることが好ましい。
【００４１】
また、以上の実施形態では、本発明に係るフォイル軸受１０をガスタービンに適用した場合を示したが、これに限らず、例えばターボチャージャ（過給機）、自動車等の車両用軸受、あるいは産業機器用の軸受等として、本発明に係るフォイル軸受を使用することが可能である。
【００４２】
なお、以上に述べたフォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受のみならず、圧力発生流体として潤滑油を使用した油動圧軸受としても使用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１     タービン
２     圧縮機
３     軸
１０   フォイル軸受
１１   内方部材
１１ａ テーパ状外周面
１２   外方部材
１２ａ１      テーパ状内周面
１２ｂ シール部
１３   フォイル
１３ａ トップフォイル
１３ｂ バックフォイル
１５   ポンプ
Ｇ１，Ｇ２    軸受隙間
Ｓ１，Ｓ２    シール空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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