(57)【要約】  シャフト（１）が挿通される挿通孔（３０ａ）を有するベースプレート（３０）と、挿通孔（３０ａ）の周囲に配置されたトップフォイル（１０）と、を備え、トップフォイル（１０）は、挿通孔（３０ａ）を中心として、多重環状に配置された複数のトップフォイル片（１１）を有する、スラストフォイル軸受（３）。
2020130124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトが挿通される挿通孔を有するベースプレートと、
前記挿通孔の周囲に配置されたトップフォイルと、を備え、
前記トップフォイルは、前記挿通孔を中心として、多重環状に配置された複数のトップフォイル片を有する、スラストフォイル軸受。
【請求項２】
前記複数のトップフォイル片のうち、前記挿通孔の径方向において、外周側に配置された外周側トップフォイル片の数は、内周側に配置された内周側トップフォイル片の数よりも多い、請求項１に記載のスラストフォイル軸受。
【請求項３】
前記複数のトップフォイル片のうち、前記挿通孔の径方向において、内周側に配置された内周側トップフォイル片の間には、前記径方向に延びる内周側周方向隙間がそれぞれ形成され、
前記内周側周方向隙間の少なくとも一つは、外周側に配置された外周側トップフォイル片の前記挿通孔の周方向における両端の間の周方向位置に配置されている、請求項１または２に記載のスラストフォイル軸受。
【請求項４】
前記複数のトップフォイル片のうち、前記挿通孔の径方向において、内周側に配置された内周側トップフォイル片の間には、前記径方向に延びる内周側周方向隙間がそれぞれ形成され、外周側に配置された外周側トップフォイル片の間には、前記径方向に延びる外周側周方向隙間がそれぞれ形成され、
前記外周側周方向隙間の少なくとも一つは、前記内周側周方向隙間と周方向位置が一致している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。
【請求項５】
前記複数のトップフォイル片のうち、前記挿通孔の径方向において、内周側に配置された内周側トップフォイル片が配置される前記ベースプレートの内周側の支持面と、外周側に配置された外周側トップフォイル片が配置される前記ベースプレートの外周側の支持面との間に、段差が設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、スラストフォイル軸受に関するものである。本願は、２０１８年１２月２０日に日本に出願された日本国特願２０１８−２３８８５６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラストフォイル軸受が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。スラストフォイル軸受は、振動や衝撃によって発生する回転軸の動き（スラストカラーの軸方向変位と傾き）を吸収できるように、軸受面が柔軟なフォイル（金属製薄板）によって形成されており、軸受面の下に軸受面を柔軟に支持するためのフォイル構造を有している。【０００３】
スラストフォイル軸受には、周方向に複数のトップフォイル片とバックフォイル片が配列された形態がある。トップフォイル片は、バックフォイル片に支持されており、スラストカラーの回転により、トップフォイル片とスラストカラーとの間に潤滑流体が導入される。この潤滑流体がトップフォイル片とスラストカラーとの間に楔状の流体潤滑膜を形成し、スラストフォイル軸受の負荷能力が発揮される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０６１６９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなスラストフォイル軸受においては、より一層の負荷能力の向上が求められている。【０００６】
本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、スラストフォイル軸受の負荷能力の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本開示においては、スラストフォイル軸受に係る第１の態様として、シャフトが挿通される挿通孔を有するベースプレートと、前記挿通孔の周囲に配置されたトップフォイルと、を備え、前記トップフォイルは、前記挿通孔を中心として、多重環状に配置された複数のトップフォイル片を有する、スラストフォイル軸受を採用する。【０００８】
また、本開示においては、スラストフォイル軸受に係る第２の態様として、上記第１の態様において、前記複数のトップフォイル片のうち、前記挿通孔の径方向において、外周側に配置された外周側トップフォイル片の数は、内周側に配置された内周側トップフォイル片の数よりも多くてもよい。【０００９】
また、本開示においては、スラストフォイル軸受に係る第３の態様として、上記第１の態様または第２の態様において、前記複数のトップフォイル片のうち、前記挿通孔の径方向において、内周側に配置された内周側トップフォイル片の間には、前記径方向に延びる内周側周方向隙間がそれぞれ形成され、前記内周側周方向隙間の少なくとも一つは、外周側に配置された前記外周側トップフォイル片の前記挿通孔の周方向における両端の間の周方向位置に配置されていてもよい。【００１０】
また、本開示においては、スラストフォイル軸受に係る第４の態様として、上記第１の態様から第３の態様のいずれか１つにおいて、前記複数のトップフォイル片のうち、前記挿通孔の径方向において、内周側に配置された内周側トップフォイル片の間には、前記径方向に延びる内周側周方向隙間がそれぞれ形成され、外周側に配置された外周側トップフォイル片の間には、前記径方向に延びる外周側周方向隙間がそれぞれ形成され、前記外周側周方向隙間の少なくとも一つは、前記内周側周方向隙間と周方向位置が一致していてもよい。【００１１】
また、本開示においては、スラストフォイル軸受に係る第５の態様として、上記第１の態様から第４の態様のいずれか１つにおいて、前記複数のトップフォイル片のうち、前記挿通孔の径方向において、内周側に配置された内周側トップフォイル片が配置される前記ベースプレートの内周側の支持面と、外周側に配置された外周側トップフォイル片が配置される前記ベースプレートの外周側の支持面との間に、段差が設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、スラストフォイル軸受の負荷能力を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示のスラストフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す側面図である。
【図２】本開示のスラストフォイル軸受を示す側面図である。
【図３】本開示の第１実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す平面図である。
【図４】図３に示す矢視Ａ−Ａ図である。
【図５】多重環状に配置していないトップフォイル片に作用する流体潤滑膜の圧力分布を示す解析図である。
【図６】本開示の第２実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す平面図である。
【図７】本開示の第３実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す平面図である。
【図８】図７に示す矢視Ｂ−Ｂ図である。
【図９】本開示の第４実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す平面図である。
【図１０】図９に示す矢視Ｃ−Ｃ図である。
【図１１】本開示の第４実施形態の変形例に係るスラストフォイル軸受を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本開示のスラストフォイル軸受を詳しく説明する。
【００１５】
図１は、本開示のスラストフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す側面図である。図１中、符号１は回転軸（シャフト）、符号２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、符号３は本開示に係るスラストフォイル軸受である。
【００１６】
回転軸１には、円板状のスラストカラー４が取り付けられている。スラストカラー４は、一対のスラストフォイル軸受３に挟まれている。インペラ２は、静止側となるハウジング５内に配置されており、ハウジング５との間にチップクリアランス６を有している。すなわち、インペラ２は、インペラ２とハウジング５との間にチップクリアランス６を形成するように、ハウジング５内に配置されている。回転軸１は、ラジアルフォイル軸受７に支持されている。
【００１７】
図２は、本開示のスラストフォイル軸受３を示す側面図である。スラストフォイル軸受３は、図２に示すように、スラストカラー４を挟んで両側に一対で設けられている。すなわち、スラストフォイル軸受３として、スラストカラー４を挟むようにスラストカラー４の両側に設けられた一対のスラストフォイル軸受３が、設けている。これら一対のスラストフォイル軸受３は、共に同じ構成となっている。スラストフォイル軸受３は、トップフォイル１０と、バックフォイル２０と、ベースプレート３０と、を備える。すなわち、一対のスラストフォイル軸受３の各々は、トップフォイル１０と、バックフォイル２０と、ベースプレート３０と、を備える。
【００１８】
一対のスラストフォイル軸受３のそれぞれのベースプレート３０の間には、二点鎖線で示す円筒状の軸受スペーサ４０が挟持されている。すなわち、一対のスラストフォイル軸受３が提供する一対のベースプレート３０の間には、二点鎖線で示す円筒状の軸受スペーサ４０が挟持されている。そして、これらベースプレート３０は、締結ボルト４１によって軸受スペーサ４０を介して連結されている。ベースプレート３０の外周部には、締結ボルト４１を挿通するための貫通孔４２が形成されている。なお、このように連結されたベースプレート３０のうちの一方は、締結ボルト４１による締め付けによってハウジング５に当接している。
【００１９】
（第１実施形態）
図３は、本開示の第１実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す平面図である。図４は、図３に示す矢視Ａ−Ａ図である。ベースプレート３０は、図３に示すように、回転軸１が挿通される挿通孔３０ａを有する。
【００２０】
なお、以下の説明においては、挿通孔３０ａを基準に各部材の位置関係を説明することがある。具体的に、「軸方向」とは、挿通孔３０ａが延びる方向（回転軸１が挿通される方向）を言う。また、「径方向」とは、挿通孔３０ａの径方向を言う。また、「周方向」とは、挿通孔３０ａの内周面に沿った周方向を言う。あるいは、挿通孔３０ａに挿通された回転軸１の軸心を基準に、当該軸心から視た「径方向」及び「周方向」とも言える。
【００２１】
ベースプレート３０は、軸方向におけるスラストフォイル軸受３の最外部（反スラストカラー４側）を構成している。すなわち、軸方向におけるスラストフォイル軸受３の反スラストカラー４側とは、軸方向における各スラストフォイル軸受３のうち、スラストカラー４に最も近い部分と反対に位置する部分、すなわち、スラストカラー４から最も遠い部分を意味する。ベースプレート３０には、挿通孔３０ａが形成されている。すなわち、本開示のベースプレート３０は、挿通孔３０ａが形成された円板状の部材である。しかし、挿通孔３０ａを有すれば、ベースプレート３０は、円板状以外の部材（例えば矩形板状）であってもよい。また、挿通孔３０ａについても、必ずしも厳密な円筒形状である必要はない。
【００２２】
ベースプレート３０は、例えば、厚さ数ｍｍ程度の金属板から形成されている。スラストカラー４と対向して配置されるベースプレート３０、の平坦面３０ｂにおける挿通孔３０ａ（開口）の周囲には、トップフォイル１０、バックフォイル２０が配置されている。具体的に、トップフォイル１０は、バックフォイル２０に支持され、バックフォイル２０は、ベースプレート３０に支持されている。つまり、トップフォイル１０は、バックフォイル２０を介し、ベースプレート３０にも支持されている。
【００２３】
トップフォイル１０は、挿通孔３０ａの周囲に配列された複数の金属製の薄板（トップフォイル片１１）によって形成されている。トップフォイル片１１は、周方向一方側（回転軸１の回転方向上流側）から周方向他方側（回転軸１の回転方向下流側）に向かって上方（図３において紙面手前側、すなわち、紙面手前に向かう方向。あるいは、ベースプレート３０からトップフォイル片１１に向かう方向の軸方向側、すなわち、軸方向のうち、ベースプレート３０からトップフォイル片１１に向かう方向。）に傾斜する傾斜部１２と、傾斜部１２の周方向一方側に連設され、ベースプレート３０に取り付けられる取付部１３と、を有している。
【００２４】
傾斜部１２は、図３に示すように、扇形の頂点側を切り欠いて内周側、外周側をそれぞれ円弧状とした、略台形状に形成されている。すなわち、傾斜部１２は、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する外周側の端縁を備えている。傾斜部１２の周方向他方側の内周側から外周側に延びる端縁（以下、周方向他方側の端部１２ａと言う）は、自由端となっている。
【００２５】
一方で、傾斜部１２の周方向一方側の内周側から外周側に延びる端縁は、曲げ部１４を介して取付部１３に接続されている。曲げ部１４は、図４に示すように、第１の屈曲と、第１の屈曲の周方向他方側に位置する第２の屈曲とで構成されている。第１の屈曲は、第１の屈曲部と言い換えてもよく、第２の屈曲は、第２の屈曲部と言い換えてもよい。第１の屈曲は、トップフォイル片１１のベースプレート３０に対向する面の背面側に屈曲している。第２の屈曲は、トップフォイル片１１のベースプレート３０に対向する面側に屈曲している。つまり、曲げ部１４は、階段状となっている。なお、第１の屈曲、第２の屈曲は、いずれも鈍角となっている。
【００２６】
曲げ部１４よりも周方向他方側に位置する傾斜部１２は、バックフォイル片２１の支持部２２に支持されている。支持部２２に支持された傾斜部１２は、周方向一方側から周方向他方側に向かうに連れて、ベースプレート３０から漸次遠ざかるように初期傾斜角で傾斜して配置されている。ここで、初期傾斜角とは、荷重がゼロのときのベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の傾斜角を意味する。すなわち、初期傾斜角とは、荷重がゼロでるときにベースプレート３０とトップフォイル片１１によりその間に形成される角度を意味する。本開示のベースプレート３０は、軸方向に直交する方向に広がる平坦面３０ｂを有し、傾斜部１２は、当該平坦面３０ｂに対し傾斜している。
【００２７】
取付部１３は、曲げ部１４の周方向一方側（第１の屈曲側）に接続されている。すなわち、延伸部１３は、曲げ部１５とその周方向一方側（第１の屈曲側）の端部を介して接続されている。本開示では、この取付部１３は、径方向において曲げ部１４と同じ長さで帯状に形成され、ベースプレート３０に対してスポット溶接（点付溶接）されている。つまり、この溶接位置が、ベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の取付位置となっている。なお、ベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の取り付けについては、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどによっても行うことができる。また、取付部１３と曲げ部１４は、必ずしも径方向において同じ長さである必要はない。
【００２８】
一方、バックフォイル２０は、挿通孔３０ａの周囲に配列された複数の金属製の薄板（バックフォイル片２１）によって形成されている。バックフォイル片２１は、トップフォイル片１１の傾斜部１２を支持する支持部２２を有している。支持部２２は、図４に示すように、山部２２ａと谷部２２ｂが交互に形成された波型のフォイル（バンプフォイル）である。支持部２２は、トップフォイル片１１の傾斜部１２を弾性的に支持している。
【００２９】
なお、支持部２２としては、例えば、バンプフォイル、日本国特開２００６−５７６５２号公報や日本国特開２００４−２７０９０４号公報などに記載されているスプリングフォイル、日本国特開２００９−２９９７４８号公報などに記載されているバックフォイルなどを用いることができる。なお、日本国特開２００６−５７６５２号公報や日本国特開２００４−２７０９０４号公報に記載されているスプリングフォイル、日本国特開２００９−２９９７４８号公報に記載されているバックフォイルは、ラジアル軸受に用いられるフォイルであるが、これらを平面状に展開して円環板状に形成すれば、スラストフォイル軸受３に用いられるフォイル（支持部２２）となる。
【００３０】
本開示の支持部２２は、バンプフォイルから形成されている。支持部２２は、図３に示す平面視で、トップフォイル片１１の傾斜部１２よりも一回り小さく形成されている。したがって、支持部２２は、傾斜部１２に覆われている。支持部２２は、傾斜部１２と同様に、扇形の頂点側を切り欠いて内周側、外周側をそれぞれ円弧状とした、略台形状に形成されている。すなわち、支持部２２は、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する外周側の端縁を備えている。
【００３１】
支持部２２の周方向一方側の内周側から外周側に延びる端縁（以下、周方向一方側の端部）には、支持部２２の周方向他方側の内周側から外周側に延びる端縁（以下、周方向他方側の端部）と平行に延びる平行部（以下、バックフォイル端部２１ａと言う）が形成されている。支持部２２には、バックフォイル端部２１ａから支持部２２の周方向他方側の端部に向かう第１方向において、谷部２２ｂと山部２２ａが交互に連なっている。すなわち、バックフォイル端部２１ａないし支持部２２の周方向他方側の端部とそれぞれ直交する法線方向（山部２２ａの稜線と直交する方向とも言う）において、谷部２２ｂと山部２２ａが交互に連なっている。
【００３２】
図４に示すように、谷部２２ｂは、平坦面を備えベースプレート３０に対向している。また、山部２２ａは、隣接する谷部２２ｂを繋ぐアーチ状の部位となっている。バックフォイル片２１は、ベースプレート３０に支持されている。そのため、谷部２２ｂは、ベースプレート３０と当接可能である。支持部２２の両端部、すなわち、バックフォイル端部２１ａと、支持部２２の周方向他方側の端部（以下、取付部２１ｂ）は、それぞれ谷部２２ｂによって形成されている。
【００３３】
本開示では、谷部２２ｂ及び山部２２ａは、それぞれほぼ等ピッチで形成されている。また、山部２２ａの高さ（谷部２２ｂと山部２２ａの高さの差）は、一定の高さで形成されている。ベースプレート３０には、支持部２２を支持する支持面３１が形成されている。支持面３１は、第１方向の他方側（図４において紙面右側）に向かうに従って漸次高くなる傾斜面となっている。なお、本開示において、第１方向他方側と、周方向他方側の向きは一致していないが、その間の角度は劣角となっている。支持面３１は、ベースプレート３０の平坦面３０ｂに対して所定角度で傾いている。この角度は、トップフォイル片１１の傾斜部１２の初期傾斜角度に対応している。
【００３４】
バックフォイル片２１の取付部２１ｂは、ベースプレート３０に対してスポット溶接（点付溶接）されている。つまり、この溶接位置が、ベースプレート３０に対するバックフォイル片２１の取付位置となっている。つまり、本開示において、バックフォイル片２１の取付位置は、第１方向の他方側（図４において紙面右側）の端に位置する谷部２２ｂ（取付部２１ｂ）となっている。
【００３５】
また、バックフォイル片２１の第１方向の一方側（図４において紙面左側）の端に位置する谷部２２ｂ（バックフォイル端部２１ａ）は、自由端となっている。すなわち、バックフォイル片２１に荷重が作用すると、バックフォイル端部２１ａが、第１方向一方側に向かって移動することが可能である。なお、ベースプレート３０に対するバックフォイル片２１の取り付けについては、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどによっても行うことができる。  
【００３６】
上記構成のトップフォイル片１１、バックフォイル片２１は、図３に示すように、挿通孔３０ａを中心として、多重環状に配置されている。本開示のベースプレート３０は、径方向の内側において６枚のトップフォイル片１１、バックフォイル片２１を支持すると共に、径方向の外側において６枚のトップフォイル片１１、バックフォイル片２１を支持している。本開示において、内周側の６枚のトップフォイル片１１と、外周側の６枚のトップフォイル片１１はそれぞれ分離している。また、内周側の６枚のバックフォイル片１１と、外周側の６枚のバックフォイル片１１もそれぞれ分離している。つまり、内外周に隣接するトップフォイル片１１の間の位置、及び周方向に隣接するトップフォイル片１１の間の位置では、ベースプレート３０が露出している。つまり、本開示のトップフォイル片１１、バックフォイル片２１は、互いに同数で径方向に離隔した二重環状に配置されている。
【００３７】
径方向の内側に配置された内周側トップフォイル片１１Ａは、同じく径方向の内側に配置された内周側バックフォイル片２１Ａに支持されている。また、径方向の外側に配置された外周側トップフォイル片１１Ｂは、同じく径方向の外側に配置された外周側バックフォイル片２１Ｂに支持されている。本開示において、外周側トップフォイル片１１Ｂの径方向における寸法は、内周側トップフォイル片１１Ａの径方向における寸法よりも小さい。なお、外周側トップフォイル片１１Ｂの径方向における寸法は、必ずしも内周側トップフォイル片１１Ａの径方向における寸法よりも小さくなくてもよい。一方で、外周側トップフォイル片１１Ｂの周方向における寸法（最外周の寸法）は、内周側トップフォイル片１１Ａの周方向における寸法（最外周の寸法）よりも大きい。本開示の内周側トップフォイル片１１Ａと、内周側トップフォイル片１１Ａの外周側に位置する外周側トップフォイル片１１Ｂは、挿通孔３０ａ回りの、大凡同じ角度範囲にわたり延伸している。
【００３８】
周方向で隣り合う内周側トップフォイル片１１Ａの間には、径方向に延びる内周側周方向隙間Ｓ１がそれぞれ形成されている。また、周方向で隣り合う外周側トップフォイル片１１Ｂの間には、径方向に延びる外周側周方向隙間Ｓ２がそれぞれ形成されている。図３に示すように、内周側周方向隙間Ｓ１は、外周側周方向隙間Ｓ２と周方向位置が一致している。つまり、内周側周方向隙間Ｓ１は、外周側周方向隙間Ｓ２と径方向で連通している。すなわち、内周側トップフォイル片１１Ａと外周側トップフォイル片１１Ｂの周方向における配置ピッチ（配置角度）は、同じになっている。
【００３９】
次に、このような構成からなるベースプレート３０を備えるスラストフォイル軸受３の作用について説明する。スラストフォイル軸受３は、図２に示すように、スラストカラー４を挟んだ両側に設けている。そのため、回転軸１のスラスト方向両側の移動を抑制できる。
【００４０】
このような状態で回転軸１が回転し、スラストカラー４が回転を始めると、スラストカラー４とトップフォイル片１１は擦れ合いつつ、両者の間に形成されたくさび形の空間に周囲流体が押し込まれる。そして、スラストカラー４が一定の回転速度に達すると、両者の間に流体潤滑膜が形成される。この流体潤滑膜の圧力によってトップフォイル片１１はバックフォイル片２１側へ押し付けられ、スラストカラー４はトップフォイル片１１との接触状態を脱し、非接触で回転するようになる。
【００４１】
ここで、本開示のトップフォイル片１１は、図３に示すように、挿通孔３０ａを中心として、多重環状に配置されている。このため、従来よりもトップフォイル片１１の数は、増えている（従来の配置では６枚、本開示の配置では１２枚）。個々のトップフォイル片１１は、従来通りの負荷能力を発揮するため、スラストフォイル軸受３全体としては、より大きな荷重を支えることができるようになる。
【００４２】
また、この構成によれば、トップフォイル片１１を大型化せずに、スラストフォイル軸受３を大型化できる。つまり、スラストフォイル軸受３の負荷能力を向上するために、その直径を大きくすると、通常は、トップフォイル片１１のサイズも大きくなる。しかし、トップフォイル片１１のサイズが大きくなると、トップフォイル片１１の剛性（トップフォイル片１１の曲げ剛性とバックフォイル片２１の支持剛性を合成したもの）を適切に配分することが困難になる。流体潤滑膜は極めて薄いため、トップフォイル片１１の剛性が適切に配分されていないと軸受面（トップフォイル片１１）に歪みが生じ，流体潤滑膜は容易に破断する虞がある。一方で、図３に示すように、トップフォイル片１１を細分化し、多重環状に配置することで、従来と同程度の大きさのトップフォイル片１１を用いることができ、スラストフォイル軸受３の大型化への対応が容易になる。
【００４３】
したがって、上述した第１実施形態によれば、回転軸１が挿通される挿通孔３０ａを有するベースプレート３０と、挿通孔３０ａの周囲に配置されたトップフォイル１０と、を備え、トップフォイル１０は、挿通孔３０ａを中心として、多重環状に配置された複数のトップフォイル片１１を有する、という構成を採用することによって、スラストフォイル軸受３の負荷能力を向上できる。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本開示の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
【００４５】
図５は、多重環状に配置していないトップフォイル片に作用する流体潤滑膜の圧力分布を示す解析図である。図５においては、圧力の高低を、ドットの濃淡で示している。トップフォイル片の下流端側（回転軸の回転方向下流側（周方向の他方側））は、くさび形の空間の最も狭まった部分になるため、図５に示すように、流体潤滑膜による高い圧力が作用することになる。なお、流体潤滑膜による高い圧力は、図５では、トップフォイル片の外周側に作用しているが、バンプフォイル片の支持剛性によっては、その位置は径方向に変化し得る。しかし、トップフォイル片の外周側では、その内周側よりもスラストカラーの周速が速いので、トップフォイル片の外周側に、流体潤滑膜による高い圧力が作用しやすい傾向がある。
【００４６】
図６は、本開示の第２実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す平面図である。第２実施形態では、上述したように流体潤滑膜による高い圧力が作用し易い外周側に配置された外周側トップフォイル片１１Ｂ（及び外周側バックフォイル片２１Ｂ）を、周方向に細分化し、外周側トップフォイル片１１Ｂの数を、内周側トップフォイル片１１Ａの数よりも多くしている。図６に示す外周側トップフォイル片１１Ｂは、６枚の内周側トップフォイル片１１Ａに対して、１２枚配置されている。
【００４７】
図６に示す例では、外周側トップフォイル片１１Ｂの径方向における寸法は、内周側トップフォイル片１１Ａの径方向における寸法よりも小さい。また、外周側トップフォイル片１１Ｂの周方向における寸法（最外周の寸法）も、内周側トップフォイル片１１Ａの周方向における寸法（最外周の寸法）より小さい。なお、上記細分化された外周側トップフォイル片１１Ｂに適切な流体潤滑膜を形成させるため、外周側トップフォイル片１１Ｂの周方向長さと径方向長さは、概略同じになるようにするとよい。すなわち、軸受最外周（スラストカラー４の最外周ないし軸受スペーサ４０の内周面の周長と同等）の周長を概略１２分割した長さを外周側トップフォイル片１１Ｂの周方向長さとし、また、外周側トップフォイル片１１Ｂの径方向長さも、概略これと同じ長さとするとよい。
【００４８】
図６に示すように、内周側周方向隙間Ｓ１は、外周側トップフォイル片１１Ｂの周方向における両端（符号１３及び符号１２ａ）の間の周方向位置に配置されている。つまり、内周側周方向隙間Ｓ１に対し、外周側トップフォイル片１１Ｂが径方向で対向して配置される。これにより、内周側周方向隙間Ｓ１の径方向外側に、図６に示す平面視で、Ｔ字状の隙間が形成される。すなわち、内周側周方向隙間Ｓ１は、外周側周方向隙間Ｓ２と径方向において同一直線上で連通していない。つまり第２実施形態では、各内周側周方向隙間Ｓ１に対応し、内周側周方向隙間Ｓ１（の内周側の端縁）と径方向外側で対面する、外周側トップフォイル片１１Ｂが存在する。また、いくつかの外周側トップフォイル片１１Ｂ（の内周側の端縁）は内周側周方向隙間Ｓ１と径方向内側で対面していない。
【００４９】
上記構成の第２実施形態によれば、外周側トップフォイル片１１Ｂの数が、内周側トップフォイル片１１Ａの数よりも多いため、スラストフォイル軸受３の単位面積当たりの負荷能力を向上できる。つまり、図５に示すように、流体潤滑膜による高い圧力は、外周側で発生する。また、この高い圧力は、トップフォイル片１１の下流端側で発生するため、逆にトップフォイル片１１の上流端側は負荷能力にあまり寄与していないと言える。このため、外周側トップフォイル片１１Ｂを周方向に延ばさずに、周方向において細分化し、負荷能力の向上に有効な外周側トップフォイル片１１Ｂの下流端側の合計面積を増やすことで、スラストフォイル軸受３の単位面積当たりの負荷能力を向上できる。
【００５０】
また、第２実施形態では、挿通孔３０ａの周方向で隣り合う内周側トップフォイル片１１Ａの間には、径方向に延びる内周側周方向隙間Ｓ１がそれぞれ形成され、内周側周方向隙間Ｓ１は、外周側トップフォイル片１１Ｂの周方向における両端の間の周方向位置に配置されている。このため、内周側トップフォイル片１１Ａにおいて支えられない領域（内周側周方向隙間Ｓ１）の周方向位置における負荷を、外周側トップフォイル片１１Ｂによって支えることができる。
【００５１】
（第３実施形態）
次に、本開示の第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
【００５２】
図７は、本開示の第３実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す平面図である。図８は、図７に示す矢視Ｂ−Ｂ図である。図７に示すように、第３実施形態では、外周側トップフォイル片１１Ｂの数が、内周側トップフォイル片１１Ａの数よりも多く、且つ、外周側周方向隙間Ｓ２の少なくとも一つが、内周側周方向隙間Ｓ１と周方向位置が一致している。
【００５３】
第３実施形態の外周側トップフォイル片１１Ｂは、６枚の内周側トップフォイル片１１Ａに対して、１２枚配置されている。これら外周側トップフォイル片１１Ｂによって形成される外周側周方向隙間Ｓ２は、１２個である。このうち、内周側周方向隙間Ｓ１と周方向位置が一致する外周側周方向隙間Ｓ２は、６個である。残り６個の外周側周方向隙間Ｓ２は、内周側トップフォイル片１１Ａの周方向における両端の間の周方向位置に配置されている。つまり、内周側周方向隙間Ｓ１に径方向で連通する外周側周方向隙間Ｓ２と、内周側周方向隙間Ｓ１に径方向で連通しない外周側周方向隙間Ｓ２が、周方向において交互に配置されている。
【００５４】
図７において符号Ｇで示す矢印は、冷却ガスの流れを示している。冷却ガスは、ベースプレート３０の挿通孔３０ａと回転軸１との隙間に導入され、当該隙間から径方向外側に流れ、トップフォイル１０及びバックフォイル２０を冷却している。内周側周方向隙間Ｓ１及び外周側周方向隙間Ｓ２には、この冷却ガスが別途に吹き出す冷却孔３２が形成されている。冷却孔３２は、内周側周方向隙間Ｓ１及び外周側周方向隙間Ｓ２のそれぞれの外周側から内周側に向かって、径方向に間隔をあけて複数形成されている。
【００５５】
また、図８に示すように、トップフォイル片１１及びバックフォイル片２１が配置される支持面３１にも、冷却ガスが吹き出す冷却孔３３が形成されている。冷却孔３３は、バックフォイル片２１の山部２２ａの裏面（非接地領域）に対向している。冷却孔３３は、第１方向の他方側（図８において紙面右側）の端に位置する山部２２ａと、その山部２２ａに隣接する山部２２ａの裏面にそれぞれ対向するように、第１方向に間隔をあけて複数形成されている。
【００５６】
上記構成の第３実施形態によれば、図７に示すように、外周側周方向隙間Ｓ２の少なくとも一つが、内周側周方向隙間Ｓ１と周方向位置が一致しているため、挿通孔３０ａから導入される冷却ガスが、内周側周方向隙間Ｓ１に連通する外周側周方向隙間Ｓ２を通って、外周側トップフォイル片１１Ｂに届きやすくなる。外周側は、内周側よりもスラストカラー４の周速が速くなるため発熱量が大きくなるが、冷却ガスが外周側に行き届いて、外周側トップフォイル片１１Ｂの特に下流端側の温度上昇が抑えられることによって、より大きな荷重を支えることが可能となる。また、ベースプレート３０の要所に冷却孔３２，３３を設け、冷却ガスを吹き出させることで、温度上昇がし易い部分を効率的に冷却することができる。
【００５７】
（第４実施形態）
次に、本開示の第４実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
【００５８】
図９は、本開示の第４実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す平面図である。図１０は、図９に示す矢視Ｃ−Ｃ図である。図１０に示すように、第３実施形態では、内周側トップフォイル片１１Ａが配置されるベースプレート３０の内周側の支持面３１Ａと、外周側トップフォイル片１１Ｂが配置されるベースプレート３０の外周側の支持面３１Ｂとの間に、段差３４が設けられている。なお、図９に示すトップフォイル片１１及びバックフォイル片２１の配置は、上述した図７に示す配置と同じであるため、その説明は割愛する。
【００５９】
図１０に示すように、内周側の支持面３１Ａは、外周側の支持面３１Ｂよりも高くなっている。つまり、内周側の支持面３１Ａにおいて、内周側バックフォイル片２１Ａを介して支持される内周側トップフォイル片１１Ａは、外周側トップフォイル片１１Ｂよりもスラストカラー４に近づく。このため、スラストカラー４の低負荷回転時には、外周側トップフォイル片１１Ｂより先に、内周側トップフォイル片１１Ａが流体潤滑膜を形成する。したがって、この構成によれば、スラストカラー４の低負荷回転時において、外周側トップフォイル片１１Ｂにかかる負荷を低減できる。また、この負荷の低減に関連して、外周側トップフォイル片１１Ｂで発生する損失も低減できる。このような第４実施形態によれば、スラストカラー４が低負荷回転を繰り返すような場合に、スラストフォイル軸受３の全体としての軸受損失を低減することができる。
【００６０】
また、第４実施形態では、図１１に示すような変形例を採用し得る。図１１は、本開示の第４実施形態の変形例に係るスラストフォイル軸受３を示す断面図である。なお、図１１は、上述した図９のＣ−Ｃ断面に対応している。図１１に示すように、外周側の支持面３１Ｂが、内周側の支持面３１Ａよりも高くなっていてもよい。つまり、外周側トップフォイル片１１Ｂが、内周側バックフォイル片２１Ａよりもスラストカラー４に近づいていてもよい。
【００６１】
この構成によれば、スラストカラー４の回転時には、内周側トップフォイル片１１Ａより先に、外周側トップフォイル片１１Ｂが流体潤滑膜を形成する。その後、スラストカラー４が高負荷回転し、軸受荷重が増えてくると、外周側トップフォイル片１１Ｂがベースプレート３０側に押し下げられ、内周側トップフォイル片１１Ａが後から軸受荷重を支えるようになる。内周側トップフォイル片１１Ａは、スラストカラー４の周速が遅く、軸受面積が小さいため、支持面３１Ａと支持面３１Ｂが同じ高さであるなら、外周側トップフォイル片１１Ｂよりも焼き付きが生じ易いと言える。しかし、内周側トップフォイル片１１Ａが後から軸受荷重を支えることで、その分、内周側トップフォイル片１１Ａの負担が減るため、内周側トップフォイル片１１Ａの焼き付きを遅らせることができ、スラストフォイル軸受３全体としての限界負荷能力は高くなる。したがって、このような第４実施形態の変形例によれば、スラストカラー４が高負荷回転を繰り返すような場合に、スラストフォイル軸受３全体の限界負荷能力を向上することができる。
【００６２】
以上、図面を参照しながら本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００６３】
例えば、上記実施形態では、トップフォイル片１１が挿通孔３０ａの周りに二重環状に配置される構成について例示したが、トップフォイル片１１は三重環状や四重環状、それ以上の多重環状に配置されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本開示によれば、スラストフォイル軸受の負荷能力を向上できる。
【符号の説明】
【００６５】
１  回転軸（シャフト）
３  スラストフォイル軸受
１０  トップフォイル
１１  トップフォイル片
１１Ａ  内周側トップフォイル片
１１Ｂ  外周側トップフォイル片
１２  傾斜部
１２ａ  端部
１３  取付部
１４  曲げ部
２０  バックフォイル
２１  バックフォイル片
２１ａ  バックフォイル端部
２１ｂ  取付部
２１Ａ  内周側バックフォイル片
２１Ｂ  外周側バックフォイル片
２２  支持部
２２ａ  山部
２２ｂ  谷部
３０  ベースプレート
３０ａ  挿通孔
３０ｂ  平坦面
３１  支持面
３１Ａ  支持面
３１Ｂ  支持面
３２  冷却孔
３３  冷却孔
３４  段差
Ｓ１  内周側周方向隙間
Ｓ２  外周側周方向隙間
【図１】
2020130124.tif 000003
【図２】
2020130124.tif 000004
【図３】
2020130124.tif 000005
【図４】
2020130124.tif 000006
【図５】
2020130124.tif 000007
【図６】
2020130124.tif 000008
【図７】
2020130124.tif 000009
【図８】
2020130124.tif 000010
【図９】
2020130124.tif 000011
【図１０】
2020130124.tif 000012
【図１１】
2020130124.tif 000013
【国際調査報告】
2020130124.tif 000014
2020130124.tif 000015
2020130124.tif 000016
2020130124.tif 000017