(57)【要約】【課題】静止ディスクに対してスラストカラーが傾斜しても、スラストカラーと静止ディスクとの熱変形を抑制して、負荷容量の低下の抑制及び損傷の防止を実現できるテーパランド型スラスト軸受を提供する。【解決手段】回転軸（１１）と一体に回転するスラストカラー（３０）と、スラストカラー（３０）と対向して配置された静止状態の静止ディスク（４０）とを備え、スラストカラー（３０）は、静止ディスク（４０）と対向する対向面に、周方向に沿って複数並設されたテーパランドを有し、静止ディスク（４０）は、昇温を抑制する抑制手段（４４）を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と一体に回転するスラストカラーと、
前記スラストカラーと対向して配置された静止状態の静止ディスクとを備え、
前記スラストカラーは、前記静止ディスクと対向する対向面に、周方向に沿って複数並設されたテーパランドを有し、
前記静止ディスクは、昇温を抑制する抑制手段を有する
ことを特徴とする、テーパランド型スラスト軸受。
【請求項２】
前記抑制手段は、前記テーパランドと対向する前記静止ディスクの軸受面に形成された断熱層を備えた
ことを特徴とする、請求項１に記載のテーパランド型スラスト軸受。
【請求項３】
前記断熱層はセラミックス系断熱材である
ことを特徴とする、請求項２に記載のテーパランド型スラスト軸受。
【請求項４】
前記断熱層は樹脂系断熱材である
ことを特徴とする、請求項２に記載のテーパランド型スラスト軸受。
【請求項５】
前記抑制手段は放熱フィンを備えた
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受。
【請求項６】
前記抑制手段は、前記静止ディスクに形成された多孔質部を備えた
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載のテーパランド型スラスト軸受を備えた
ことを特徴とする、回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸と一体に回転するスラストカラーと、スラストカラーと対向して配置された静止状態の静止ディスクとを備え、スラストカラーは、周方向に沿って複数並設されたテーパランドを有する、テーパランド型スラスト軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
過給機やタービンコンプレッサ等といった回転機械に用いられるスラスト軸受として、テーパランド型スラスト軸受がある。テーパランド型スラスト軸受は、テーパ部とランド部とを有する軸受パッド（テーパランド）を備えたスラスト軸受である。一般的なテーパランド型スラスト軸受では、軸受パッドは、静止側、具体的には回転体のスラストカラーに対向する静止ディスクの軸受面に配置される。
【０００３】
テーパランド型スラスト軸受に関する技術として例えば特許文献１及び特許文献２に開示された技術がある。以下、特許文献１及び特許文献２に開示の技術について説明するが、参考に各特許文献で使用されている符号を括弧付きで示す。
特許文献１（フロント頁及び図１など参照）には、軸受パッド（１４）を、スラストディスク（５）に対向する軸受面（静止側）に設け、この軸受パッド（１４）の表面又は表面下に断熱層（２１）を設けた技術が開示されている。この技術では、断熱層（２１）を設けることで、軸受パッド（１４）の厚さ方向への熱の伝播を遮断して、熱膨張による軸受パッド（１４）の変形及び軸受の発熱を抑制している。
特許文献２（フロント頁，段落[０００８]及び図１など参照）には、テーパランド（軸受パッド）を、回転軸と一体に回転するスラストディスク（３０）側（つまり回転側）に設けた技術が開示されている。この技術ではテーパランドに給油溝（３３）が設けられている。給油溝（３３）に供給された潤滑油は、スラストディスク（３０）の回転により遠心力が作用して給油溝（３３）を半径方向外向きに流通するようになるが、給油溝（３３）は断面積を半径方向外向きに狭められているので、潤滑油はこの流通の際に絞られるようになる。したがって、潤滑油の圧力がスラストディスク（３０）外周側で増加して負荷能力が向上し、潤滑油温度や軸受温度の上昇に伴う損傷が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０７７８０３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１３４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、製作上の誤差等に起因して回転体側から静止体側に掛かる負荷が不均一となって、回転側のスラストカラーが静止ディスクに対して傾斜姿勢となることがある。スラストカラーが静止ディスクに対して傾斜姿勢となると、スラストカラーと静止ディスクとの隙間の大きさが、スラストカラーの回転位相に応じて変化する。
【０００６】
特許文献１に開示された技術では、スラストカラー（５）が傾斜姿勢になると、軸受パッド（１４）が静止側に設けられているため、正常状態（スラストカラーと静止ディスクとが平行な状態）に較べて、スラストカラー（５）との隙間が一定して広い軸受パッド（１４）と、当該隙間が一定して狭い軸受パット（１４）とが生じる。当該隙間が狭い軸受パッド（１４）では、正常状態に較べて潤滑油の油膜圧力が増大して潤滑油の発熱量が増大する。このため、断熱層（２１）を設けても、軸受パッド（１４）が高温となって変形・膨張し、テーパランド型スラスト軸受の負荷容量が低下し、最終的にはテーパランド型スラスト軸受の損傷に繋がるおそれがある。
【０００７】
特許文献２に開示された技術では、スラストディスク（３０）が傾斜姿勢となっても、テーパランド（軸受パッド）が回転側（スラストディスク（３０））に設けられているため、各テーパランドは、固定側ディスク（４０）との隙間が広くなる回転位相と、固定側ディスク（４０）との隙間が狭くなる回転位相とを順次繰り返す。このため、特定のテーパランドだけが過剰に加熱されることはないが、逆に、固定側ディスク（４０）には、テーパランドとの隙間が一定して狭くなる箇所が発生し、特許文献１と同様に、テーパランド型スラスト軸受の負荷容量が低下し、最終的にはテーパランド型スラスト軸受の損傷に繋がるおそれがある。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、静止ディスクに対してスラストカラーが傾斜しても、スラストカラーと静止ディスクとの熱変形を抑制して、負荷容量の低下の抑制及び損傷の防止を実現できるテーパランド型スラスト軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）上記の目的を達成するために、本発明のテーパランド型スラスト軸受は、回転軸と一体に回転するスラストカラーと、前記スラストカラーと対向して配置された静止状態の静止ディスクとを備え、前記スラストカラーは、前記静止ディスクと対向する対向面に、周方向に沿って複数並設されたテーパランドを有し、前記静止ディスクは、昇温を抑制する抑制手段を有することを特徴としている。
【００１０】
（２）前記抑制手段は、前記軸受面に形成された断熱層を備えることが好ましい。
【００１１】
（３）断熱層はセラミックス系断熱材であることが好ましい。
【００１２】
（４）前記断熱層は樹脂系断熱材であることが好ましい。
【００１３】
（５）前記抑制手段は放熱フィンを備えることが好ましい。
【００１４】
（６）前記抑制手段は、前記静止ディスクに形成された多孔質部を備えることが好ましい。
【００１５】
（７）上記の目的を達成するために、本発明の回転機械は、（１）〜（６）の何れかに記載のテーパランド型スラスト軸受を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のテーパランド型スラスト軸受によれば、各テーパランドは、回転軸と一体に回転するスラストカラーに設けられているので、各テーパランドにおいて、テーパランドと静止ディスクとの間の隙間の大きさは、周期的に変化するものの時間平均すると正常状態と略同じ（完全に同じ場合も含む）になる。したがって、特定のテーパランドが過負荷や高温になって変形してしまうことを防止することができる。
さらに、静止ディスクでは、スラストカラーの回転位相に応じて、テーパランドとの隙間の大きさに分布が生じ、テーパランドとの隙間の大きさが正常状態よりも狭く、潤滑油の発熱量が大きく高温になる領域があるが、昇温を抑制する抑制手段が備えられているので、昇温が抑制され、熱変形を抑制することができる。
したがって、静止ディスクに対してスラストカラーが傾斜しても、スラストカラーと静止ディスクとの熱変形を抑制して、負荷容量の低下の抑制及び損傷の防止を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態としての過給機及びテーパランド型スラスト軸受の構造を示す模式的縦断面である。
【図２】本発明の一実施形態としてのテーパランド型スラスト軸受のスラストカラーの構造を示す模式図であって、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の一実施形態としてのテーパランド型スラスト軸受の静止ディスクの構造を示す模式図であって、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態としてのテーパランド型スラスト軸受の作用・効果を説明するための模式図であって、静止ディスクに対してスラストカラーが傾斜した状態におけるテーパランド型スラスト軸受の部分端面図（図３（ｂ）のＸ部に相当する端面図）である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態のテーパランド型スラスト軸受の変形例の要部構成を示す模式的な縦断面図である。
【図６】本発明の一実施形態のテーパランド型スラスト軸受の変形例の要部構成を示す模式的な側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができると共に、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
以下の実施形態では、本発明のテーパランド型スラスト軸受を、船舶用エンジンに空気を供給する排気ガスタービンの過給器のロータ軸の支持に使用し、本発明の回転機械を過給器とした例を説明するが、これに限定されるものではない。
【００１９】
［１．過給機の構造］
以下、図１を参照して本実施形態に係る過給機の構造について説明する。
図１は、本発明の回転機械の一実施形態としての過給機の構造を示す模式的縦断面である（断面を示すハッチは省略）。
過給機のロータ１０は、図１に示すように、回転軸１１の両端に排気タービンホイール１２及びコンプレッサホイール１３が取り付けられており、排気タービンホイール１２側に供給される燃焼排ガスのエネルギを用いて一体に高速回転する。ロータ１０の回転軸（以下「ロータ回転軸」とも表記する）１１は、ジャーナル軸受１４及びテーパランド型スラスト軸受（以下「スラスト軸受」とも表記する）２０により回転自在に支持されている。なお、図中の矢印ａは、ロータ１０の回転方向を示しており（そこで、以下「ロータ回転方向ａ」とも表記する）、回転軸１１には、通常、排気タービンホイール１２からコンプレッサホイール１３に向かうスラスト力が作用する。
【００２０】
［２．テーパランド型スラスト軸受の構造］
以下、図１に加えて図２及び図３を参照して本実施形態のテーパランド型スラスト軸受の構造について説明する。
図２は、本発明の一実施形態としてのテーパランド型スラスト軸受のスラストカラーの構造を示す模式図であって、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図３は、本発明の一実施形態としてのテーパランド型スラスト軸受の静止ディスクの構造を示す模式図であって、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は縦断面図である。
スラスト軸受２０は、図１及び図２に示すように、軸方向のスラスト力を受けながら回転軸１１と一体に回転するスラストカラー３０と、このスラストカラー３０を両側から挟むようにして配置された一対の静止ディスク４０とを備えており、軸方向のスラスト力を受けるロータ１０がスムーズに回転できるように支持している。各静止ディスク４０は、ハウジング等の適所に固定支持された静止状態のディスクである。
【００２１】
図１，図２（ａ），（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、スラストカラー３０は、径方向に一定の幅を持った円環状部材であり、その内周縁をロータ回転軸１１に固定されている。また、スラストカラー３０の静止ディスク４０，４０と対向する対向面３１，３１には、それぞれ軸受パッド３２が周方向に複数並設されると共に、軸受パッド３２の各相互間に給油溝３３が設けられている。
軸受パッド３２は、テーパランドとも呼ばれものであり、図２（ｂ）に示すようにランド部３２ａと、テーパ部３２ｂとを備える。ランド部３２ａは、平坦面であり、正常状態（静止ディスク４０が、ロータ回転軸１１の回転中心線ＣＬに対して垂直姿勢となる状態）では、後述の静止ディスク４０の平坦な軸受面４３と平行となる。テーパ部３２ｂは、ロータ回転方向ａとは反対側にランド部３２ａに連設され、ロータ回転方向ａとは反対側に向く（ランド部３２ａから離れるにつれ、対向する静止ディスク４０から離れる）傾斜面である。
給油溝３３は、テーパ部３２ｂよりも一段深い溝であり、図示しない給油供給ラインより潤滑油が供給される。
なお、図１及び図３（ｂ）では軸受パッド３２は省略している。
【００２２】
図３（ａ），（ｂ）に示すように、各静止ディスク４０は、径方向に一定の幅を持った円環状部材であり、その面中央に、ロータ回転軸１１が挿通する孔部４２を有している。また、各静止ディスク４０のスラストカラー３０と対向する各軸受面４３は、平坦面であり、静止ディスク４０の母材４１上に形成された断熱層４４により構成されている。断熱層４４は静止ディスク４０の昇温を抑制するものである。すなわち、静止ディスク４０の昇温を抑制する本発明の抑制手段が、断熱層４４を備えて構成されている。
本実施形態では、母材４１には、静止ディスクの材質として従来使用されている銅合金が使用され、各断熱層４４には、アルミナやジルコニアなどのセラミックス系の材料が使用されている。また、本実施形態では、各静止ディスク４０は、ロータ回転軸１１のスラストカラー３０の全体を安定して支持できるようにスラストカラー３０よりも大径に形成されている。
【００２３】
［３．作用・効果］
本発明の一実施形態としてのテーパランド型スラスト軸受２０の作用・効果を、図４を参照して説明する。
図４は、本発明の一実施形態としてのテーパランド型スラスト軸受２０の作用・効果を説明するための模式図であって、静止ディスク４０に対してスラストカラー３０が傾斜した状態におけるテーパランド型スラスト軸受２０の部分端面図（図３（ｂ）のＸ部に相当する端面図）である。
図４に示すように、静止ディスク４０に対して、ロータ回転軸１１及びスラストカラー３０が傾斜すると、スラストカラー３０の回転位相に応じて、軸受パッド３２と静止ディスク４０（軸受面４３）との間の隙間（以下「当該隙間」とも表記する）の大きさが変化する。図４に示す例では、当該隙間は、正常状態に較べて、図４の紙面において上側の回転位相になるほど狭くなり、下側の回転位相になるほど広くなっている。
正常状態に較べて当該隙間が狭いと、作用する荷重が高くなることに加えて油膜圧力が増大して潤滑油の発熱量が増大する。
【００２４】
本発明の一実施形態としてのテーパランド型スラスト軸受２０によれば、各軸受パッド３２は、ロータ回転軸１１と一体に回転するスラストカラー３０に設けられているので、各軸受パッド３２は、軸受パッド３２と静止ディスク４０との間の隙間の大きさが周期的に変化するものの、平均すると正常状態と略同じ（完全に同じ場合も含む）になる。したがって、特定の軸受パッド３２が過負荷や高温になって変形してしまうことを防止することができる。
静止ディスク４０では、スラストカラー３０の回転位相に応じて、軸受パッド３２との距離に分布が生じ、潤滑油の発熱量に分布が生じる。図４に示す例では、紙面において上側になるほど高温になるが、軸受面４３には断熱層４４が設けられているので、昇温が抑制され、熱変形を抑制することができる。
したがって、静止ディスク４０に対してスラストカラー３０が傾斜しても、スラストカラー３０と静止ディスク４０との熱変形を抑制して、負荷容量の低下の抑制及び損傷の防止を実現できる。
【００２５】
また、静止ディスク４０の母材４１に施工された断熱層４４が、耐摩耗相としても機能し、特に高度の高いセラミックス系の材料を断熱層４４に使用することで、静止ディスク４０の耐摩耗性を向上することができる。
【００２６】
［４．その他］
（１）上記実施形態では、断熱層４４にセラミックス系の材料を使用したが、断熱層４４の材料はこれに限定されず、例えば、セラミックス系の材料よりも熱伝導率が低く熱絶縁性の高い樹脂系の材料〔ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）〕を使用してもよい。これにより、静止ディスク４０の熱変形を一層効果的に抑制することが可能となる。
【００２７】
（２）上記実施形態では、断熱層４４を、静止ディスク４０の母材４１に対して全面に一様な厚さで施工したが、図５（ａ）に示すように、断熱層４４を、静止ディスク４０の外周縁Ｒ１にだけ設けてもよい。静止ディスク４０に対して、スラストカラー３０（ロータ回転軸１１）が傾斜したときには、外周側になるほど（つまりロータ回転軸１１の回転中心線ＣＬから離れるほど）静止ディスク４０と軸受パッド３２との間の隙間が狭くなって潤滑油の発熱量が高くなる。したがって、特に高温になりやすい静止ディスク４０の外周縁Ｒ１に断熱層４４を設けることで、上記実施形態よりも少ない断熱層４４の施工範囲で静止ディスク４０の熱変形を効率的に抑制することが可能となる。
【００２８】
或いは、上記実施形態のように、図５（ａ）に示すようにスラストカラー３０よりも静止ディスク４０の径が大きい場合には、静止ディスク４０のスラストカラー３０と対面する領域Ｒ２にだけ、又は、静止ディスク４０の外周縁Ｒ１と領域Ｒ２とが重なる領域Ｒ３にだけ抑制手段を設けてもよい。
或いは、図５（ｂ）に示すように、断熱層４４を、静止ディスク４０の母材４１に対して全面に設け、特に高温になりやすい静止ディスク４０の外周縁Ｒ１に関しては、他の領域よりも断熱層４４を厚めに設けてもよい。
なお、図５（ａ），（ｂ）では軸受パッド３２の形状を簡略化して示している。
【００２９】
（３）上記実施形態では、静止ディスク４０の昇温を抑制する本発明の抑制手段として、絶縁層４４を使用したが、抑制手段は、静止ディスク４０の昇温を抑制できるものであればこれに限定されない。例えば、図６（軸受パッド３２は省略）に示すように、絶縁層４４に替えて又は絶縁層４４と共に、静止ディスク４０の母材４１に設けた放熱フィン４５により抑制手段を構成してもよい。放熱フィン４５は、母材４１の背面（軸受面４３とは反対側の面）４６に、径方向に延在する複数の溝４５ａを適宜の間隔をあけて設けることによって形成される。この構成によれば、静止ディスク４０の熱変形を溝（隙間）４５ａにより吸収することが可能となる。
あるいは、絶縁層４４や放熱フィン４５に替えて、又は、絶縁層４４及び放熱フィン４５の少なくとも一方と共に、静止ディスク４０（母材４１）に多孔質部を形成して抑制手段を構成してもよい。静止ディスク４０に多孔質部を形成することで、放熱し易い構造となり、静止ディスクの昇温を抑制できる。
【００３０】
放熱フィン４５や多孔質部を備えて本発明の抑制手段を構成する場合も、放熱フィン４５や多孔質部を、静止ディスク４０の外周縁Ｒ１，静止ディスク４０のスラストカラー３０と対面する領域Ｒ２、又は、外周縁Ｒ１と領域Ｒ２とが重なる領域Ｒ３にだけ設けてもよい。
また、静止ディスク４０に対して、その軸受面４３には断熱層４４を全面に設け、その背面４６には、フィン４５又は多孔質部を、外周縁Ｒ１，領域Ｒ２又は領域Ｒ３にだけ設けてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ロータ
１１  回転軸
２０  テーパランド型スラスト軸受
３０  スラストカラー
３１  対向面
３２  軸受パッド（テーパランド）
３２ａ  ランド部
３２ｂ  テーパ部
４０  静止ディスク
４１  静止ディスク４０の母材
４３  静止ディスク４０の軸受面
４４  断熱層（抑制手段）
４５  放熱フィン
４５ａ  放熱フィンを構成する溝
４６  静止ディスク４０の背面
ａ  ロータ回転方向
ＣＬ  ロータ回転軸１１の回転中心線
Ｒ１  静止ディスク４０の外周縁
Ｒ２  静止ディスク４０のスラストカラー３０と対面する領域
Ｒ３  静止ディスク４０の外周縁Ｒ１と、静止ディスク４０のスラストカラー３０と対面する領域Ｒ２とが重なる領域
【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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