ラジアルフォイル軸受
【課題】トップフォイルに生じる歪みを充分に少なくし、軸受の負荷能力や動特性について設計通りの良好な性能が得られるようにした、ラジアルフォイル軸受を提供する。
【解決手段】回転軸１を支持するラジアルフォイル軸受３である。トップフォイル１０と、バックフォイル１１と、これらを収容する軸受ハウジング１２とを備える。軸受ハウジング１２の両側面には、それぞれ、軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁に向かって延びる係合切欠１５が形成されている。バックフォイル１１には、軸受ハウジング１２の周方向における一方の側の両側端部に、それぞれ係合切欠１５に係合する係合突片３０が設けられていることを特徴とするラジアルフォイル軸受。
【解決手段】回転軸１を支持するラジアルフォイル軸受３である。トップフォイル１０と、バックフォイル１１と、これらを収容する軸受ハウジング１２とを備える。軸受ハウジング１２の両側面には、それぞれ、軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁に向かって延びる係合切欠１５が形成されている。バックフォイル１１には、軸受ハウジング１２の周方向における一方の側の両側端部に、それぞれ係合切欠１５に係合する係合突片３０が設けられてい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、ラジアルフォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に外挿されて用いられるラジアル軸受が知られている。このようなラジアル軸受としては、軸受面を形成する薄板状のトップフォイルと、このトップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備えたラジアルフォイル軸受がよく知られている。ラジアルフォイル軸受のバックフォイルとしては、薄板を波板状に成形したバンプフォイルが主として用いられている。
【０００３】
このようなラジアルフォイル軸受にあっては、通常、トップフォイルやバックフォイルが軸受ハウジングから脱落するのを防止するため、その一端部(止端部)がスポット溶接によって軸受ハウジングに直接、あるいはスペーサを介して間接的に固定されている。
また、溶接に代えて機械的に固定を行うべく、トップフォイルやバックフォイル（バンプフォイル）の端部を曲げ加工によって折り曲げ、この折り曲げ部を軸受ハウジングの内周面に形成した係合溝に係合させた構造のものも知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０３３１７６号公報
【特許文献２】特開２０１１−０１７３８５号公報
【特許文献３】特開２００２−０６１６４５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、軸受ハウジングへのバックフォイル(バンプフォイル)の固定を溶接で行うと、入熱によってバックフォイルや軸受ハウジングが変形し、この影響を受けてトップフォイルに歪みが生じてしまう。
また、前記特許文献１〜３のものでは、軸受ハウジングの内周面に形成した係合溝にトップフォイルやバックフォイル（バンプフォイル）の端部（折り曲げ部）を係合させることにより、これらトップフォイルやバックフォイルを軸受ハウジングに固定している。
ところが、このような構造では、動作時にラジアルフォイル軸受が大きな外力を受けると、特にバックフォイルが軸受ハウジングの軸方向に摺動し、ガタツキを生じてしまう。すると、このバックフォイルのガタツキにより、トップフォイルに歪みが生じることがある。
【０００６】
しかしながら、回転軸の回転によって該回転軸とトップフォイルとの間に形成されるフォイル軸受の流体潤滑膜は、１０μｍ前後と非常に薄いため、トップフォイルに少しでも歪みが生じると、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)に影響が及び、設計通りの性能が得られなくなる。
【０００７】
また、ラジアルフォイル軸受の軸受性能を向上させるためには、バックフォイルをその周方向に複数分割することが有効であると考えられる。しかし、その場合には、軸受ハウジングに対するバックフォイルの固定点が多くなるため、従来の溶接による固定では溶接箇所が増えることで工数が増え、製造コストが増大してしまう。また、溶接箇所が増えると、全箇所が良好に溶接できなければ製品として出荷できないため、品質維持が難しくなり、良品率の低下によるコストアップも懸念される。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、トップフォイルに生じる歪みを充分に少なくし、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について設計通りの良好な性能が得られるようにするとともに、コストアップを抑制した、ラジアルフォイル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】
本発明のラジアルフォイル軸受は、回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、
前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを内挿した状態に収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
前記軸受ハウジングの両側面には、それぞれ、該軸受ハウジングの内周縁から外周縁に向かって延びる係合切欠が形成され、
前記バックフォイルには、前記軸受ハウジングの周方向における一方の側の両側端部に、それぞれ前記係合切欠に係合する係合突片が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
このラジアルフォイル軸受にあっては、軸受ハウジングの両側面にそれぞれ係合切欠を形成し、バックフォイルの一方の側の両側端部にそれぞれ係合突片を設け、これら係合突片をそれぞれ前記係合切欠に係合させているので、バックフォイルに対してスポット溶接を行うことなく、バックフォイルを軸受ハウジング内に収容・固定することができる。また、バックフォイルは、軸受ハウジングの周方向および軸方向への摺動が軸受ハウジングの両側面に形成された係合切欠に規制されるので、ほとんどガタツキが生じないようになっている。したがって、バックフォイルのスポット溶接やバックフォイルのガタツキによりトップフォイルに歪みが生じるのが防止され、トップフォイルの歪みが充分に少なくなる。また、バックフォイルの溶接を不要にしたため、溶接不良による組立て不良や組立てのバラツキを無くすことができる。
【００１１】
また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数のバックフォイル片を有して構成され、前記バックフォイル片には、それぞれ前記係合突片が形成されていることが好ましい。
バックフォイルは、トップフォイルを弾性的に支持するため、トップフォイルから荷重を受けた際には、その周方向に変形することでトップフォイルの撓みを許容し、これを支持する。しかし、バックフォイルは周方向に変形する際、軸受ハウジングとの間の摩擦の影響を受けるため、自由端側では変形し易いものの、係合突片を形成した固定端側では変形し難くなっている。そのため、自由端側と固定端側とでは支持剛性に差が生じてしまい、軸受全体として均一な支持剛性が得られにくくなってしまう。
そこで、バックフォイルを、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数のバックフォイル片を有した形態に構成しているので、バックフォイル片における固定端と自由端との間の距離が短くなり、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差が小さくなる。よって、バックフォイル全体での支持剛性のバラツキが少なくなる。
【００１２】
また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記バックフォイル片のうちの互いに隣り合う一対のバックフォイル片は、それぞれの前記係合突片が近接した状態に配置され、これら近接した一対の係合突片が、一つの前記係合切欠に係合していることが好ましい。
このようにすれば、軸受ハウジングに形成する係合切欠の数を減らすことができ、加工コストを抑えることができる。
【００１３】
また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記軸受ハウジングの内周面には、対向する一対の前記係合切欠間に、該係合切欠より深さが浅い係合溝が形成され、前記バックフォイルには、前記係合突片間に該係合突片より高さが低い係合突条が設けられ、前記係合突片が前記係合切欠に係合するとともに、前記係合突条が前記係合溝に係合していることが好ましい。
このようにすれば、係合突条が係合溝に係合していることにより、軸受ハウジングに対してバックフォイルがより強固に固定される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のラジアルフォイル軸受によれば、バックフォイルのスポット溶接やバックフォイルのガタツキによりトップフォイルに歪みが生じるのを防止し、トップフォイルの歪みが充分に少なくなるようにしたので、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について、設計通りの良好な性能を得ることができる。
また、溶接を不要にして溶接不良による組立て不良や組立てのバラツキを無くしたので、良品率の向上によるコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るラジアルフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係るラジアルフォイル軸受の第１実施形態の概略構成を示す図であり、（ａ）はラジアルフォイル軸受の側面図、（ｂ）はラジアルフォイル軸受の要部を示す斜視図、（ｃ）は（ａ）の要部を平坦化して模式的に示す側面図、（ｄ）は（ｃ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】（ａ）は平坦化したバックフォイル片の平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図４】本発明に係るラジアルフォイル軸受の第２実施形態の概略構成を示す図であり、（ａ）はラジアルフォイル軸受の側面図、（ｂ）はラジアルフォイル軸受の要部を示す斜視図である。
【図５】本発明に係るラジアルフォイル軸受の第３実施形態の概略構成を示す図であり、（ａ）はラジアルフォイル軸受の要部を示す斜視図、（ｂ）は平坦化したバックフォイル片の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明のラジアルフォイル軸受を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１７】
図１は、本発明のラジアル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り、図１中符号１は回転軸、２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、３は本発明に係るラジアルフォイル軸受である。なお、図１では省略してラジアルフォイル軸受を一つしか記載していないが、通常は回転軸１の軸方向にラジアルフォイル軸受が２つ設けられて、回転軸１の支持構造が構成される。したがって、本実施形態においてもラジアルフォイル軸受３が２つ設けられているものとする。
【００１８】
回転軸１には、インペラ２が形成された側にスラストカラー４が固定されており、このスラストカラー４の両側には、このスラストカラー４に対向してそれぞれの側にスラスト軸受５が配置されている。
また、インペラ２は静止側となるハウジング６内に配置されており、ハウジング６との間にチップクリアランス７を有している。
また、回転軸１には、スラストカラー４より中央側に、ラジアルフォイル軸受３が外挿されている。
【００１９】
図２（ａ）〜（ｄ）は、このような構成のターボ機械に適用されたラジアルフォイル軸受の第１実施形態を示す図である。本実施形態のラジアルフォイル軸受３は、図２（ａ）に示すように回転軸１に外挿されて該回転軸１を支持する円筒状のもので、回転軸１に対向して配置される円筒状のトップフォイル１０と、該トップフォイル１０の径方向外側に配置されるバックフォイル１１と、該バックフォイル１１の径方向外側に配置される軸受ハウジング１２とを備えて構成されている。
【００２０】
軸受ハウジング１２は、ラジアルフォイル軸受３の最外部を構成する金属製で円筒状のもので、内部にバックフォイル１１およびトップフォイル１０を収容したものである。この軸受ハウジング１２には、その内周面に、該軸受ハウジング１２の軸方向に沿って溝１３が形成されている。
すなわち、軸受ハウジング１２の内周面には、該軸受ハウジング１２の軸方向の全長に渡って溝１３が形成されている。この溝１３は、その深さ方向が、後述するトップフォイル１０の一方の側１０ａが延び出る方向に一致して形成されている。また、その深さは、２ｍｍ〜５ｍ程度とされる。
【００２１】
また、軸受ハウジング１２の外周面側には、前記溝１３に連通する孔１４が一対形成されている。これら孔１４は、後述するように溝１３内に差し入れられたトップフォイル１０の一方の側１０ａを、溝１３内に固定するのに用いられる雄ネジの挿入用の孔であり、内周面に雌ネジ部が形成されている。
【００２２】
また、軸受ハウジング１２の両側面には、図２（ａ）、（ｂ）に示すようにそれぞれ、該軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁に向かって延びる係合切欠１５が形成されている。係合切欠１５は、本実施形態では軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁にまで切り欠かれた溝状のもので、図２（ａ）に示すように軸受ハウジング１２の側面を、その周方向にほぼ６分割する位置に、それぞれ形成されている。そして、これら係合切欠１５には、後述するバックフォイル１１の係合突片３０が係合している。なお、本実施形態では、前記６つの係合切欠１５のうちの２つの係合切欠１５、１５の間に、前記溝１３が配置されている。
【００２３】
バックフォイル１１は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル１０を弾性的に支持するものである。このようなバックフォイル１１としては、例えばバンプフォイルや、特開２００６−５７６５２号公報や特開２００４−２７０９０４号公報などに記載されているスプリングフォイル、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が用いられる。本実施形態では、バックフォイル１１としてバンプフォイルを用いている。ただし、前記のスプリングフォイルやバックフォイルを、本発明のバックフォイルとして用いてもよいのはもちろんである。
【００２４】
バックフォイル（バンプフォイル）１１は、図２（ａ）に示すように本実施形態では、トップフォイル１０の周方向に沿って配置された６つ（複数）のバックフォイル片１１ａによって構成されている。これらバックフォイル片１１ａは、フォイル（薄板）が波板状に成形され、かつ、側面が全体として略円弧状になるよう成形されたもので、６つが全て同じ形状・寸法に形成されている。したがって、これらバックフォイル片１１ａは、軸受ハウジング１２の内周面をほぼ６分割して配置されている。
【００２５】
また、これらバックフォイル片１１ａは、前記溝１３を挟む位置ではある程度の隙間をあけて配置されているものの、それ以外の位置では、互いの端部が近接して配置されている。このような構成によって６つのバックフォイル片１１ａは、全体として略円筒形状に形成されて、軸受ハウジング１２の内周面に沿って配置されている。
【００２６】
また、このように波板状に成形されたバックフォイル片１１ａは、図２（ａ）の要部を平坦化して模式的に示す図２（ｃ）に示すように、軸受ハウジング１２の周方向に沿って、該軸受ハウジング１２と接する平坦な谷部１１ｂと、トップフォイル１０に接する湾曲した山部１１ｃとを交互に形成している。これによってバックフォイル片１１ａは、特にトップフォイル１０に接する山部１１ｃにより、トップフォイル１０を弾性的に支持している。また、ラジアルフォイル軸受３の軸方向に、山部１１ｃや谷部１１ｂによる流体の通路を形成している。
【００２７】
また、これらバックフォイル片１１ａには、その一方の側、すなわち軸受ハウジング１２の周方向における一方の側の両側端部に、それぞれ係合突片３０が形成されている。これら係合突片３０、３０は、平坦化したバックフォイル片１１ａの平面図である図３（ａ）に示すように、谷部１１ｂとなっている一方の側の両側端部３０ａ、３０ａ間が切り欠かれて凹部３１が形成され、さらに、平坦化したバックフォイル片１１ａの側面図である図３（ｂ）に示すように、前記両側端部３０ａ、３０ａがそれぞれ下方（山部１１ｃが突出する方向と反対の方向）に向けてほぼ直角に折り曲げられることで、形成されたものである。なお、両側端部３０ａ、３０ａの折り曲げ位置を、図３（ａ）中に折り曲げ線Ｍで示す。
【００２８】
このような係合突片３０、３０（両側端部３０ａ、３０ａ）の折り曲げ加工によってバックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）には歪みが生じるものの、加工部分が僅かであるため、生じる歪みは充分に小さく、したがってこの歪みがトップフォイル１０に影響することはほとんどない。
【００２９】
なお、バックフォイル片１１ａにおける凹部３１の形成については、バリが発生せず、ストレスを与えないため歪みも生じないように、フォイルをエッチング加工や放電加工で行うのが好ましい。すなわち、エッチング加工や放電加工でフォイルに凹部３１を形成した後、山部１１ｃや谷部１１ｂを形成するためのプレス成型を行い、その後、両側端部３０ａ、３０ａを折り曲げて係合突片３０、３０を形成し、バックフォイル片１１ａを形成するのが好ましい。
【００３０】
これら係合突片３０、３０は、図２（ａ）に示すようにそれぞれ係合切欠１５に係合している。すなわち、図２（ｂ）中矢印で示すように、バックフォイル片１１ａの係合突片３０、３０が軸受ハウジング１２の係合切欠１５に挿入されることにより、図２（ｃ）のＡ−Ａ線矢視断面図である図２（ｄ）に示すように、係合切欠１５、１５にそれぞれ係合突片３０が係合している。このように係合切欠１５、１５に係合突片３０、３０が係合すると、バックフォイル片１１ａは軸受ハウジング１２の周方向への摺動はもちろん、その軸方向への摺動も、係合突片３０、３０が係合している係合切欠１５、１５に規制されるため、ほとんどガタツキが生じないようになっている。
【００３１】
なお、係合突片３０の長さとしては、これが軸受ハウジング１２の外周面側に突出しない長さとされる。具体的には、軸受けハウジング１２の厚さが例えば５ｍｍである場合、係合突片３０の長さは２ｍｍ〜５ｍｍ程度とされる。
【００３２】
図２（ａ）に示すようにトップフォイル１０は、６つのバックフォイル片１１ａからなるバックフォイル１１の内面に沿って円筒状に巻かれたもので、一方の側１０ａの先端部が軸受ハウジング１２に形成された前記溝１３に係合するように配設されたものである。このトップフォイル１０は、軸受周方向を長辺とし、軸受長方向を短辺とする矩形状の金属箔が長辺の長さ方向（軸受周方向）に円筒状に巻かれて、形成されたものである。
【００３３】
ただし、このトップフォイル１０は、前記金属箔の両端が突き合わされるように巻かれることなく、一方の側１０ａが他方の側の外側に重なるように巻かれている。また、一方の側１０ａは、これ以外の部分で形成される円筒部の所定位置での接線方向に、延び出て形成されている。
また、前記の軸受ハウジング１２における溝１３は、その深さ方向が、トップフォイル１０の一方の側１０ａの延び出る方向に一致するように形成されている。
【００３４】
したがって、トップフォイル１０は、その一方の側１０ａの延び出た方向が溝１３の深さ方向に一致するように配置されて、その一方の側１０ａの先端部が該溝１３に係合させられている。これにより、トップフォイル１０は、その一方の側１０ａが溝１３に係合した状態では変形しないため、歪みが生じないようになっている。
【００３５】
また、本実施形態では、溝１３に係合しているトップフォイル１０の一方の側１０ａは、雄ネジ１７によって溝１３内に固定されている。すなわち、雄ネジ１７が前記孔１４に螺合し挿入されることにより、一方の側１０ａが溝１３の内壁面に密着させられることで固定されている。なお、このように溝１３の内壁面に密着させられることによる一方の側１０ａの変形は僅かであり、したがって、この変形によってトップフォイル１０に歪みが生じることはほとんどない。
【００３６】
また、トップフォイル１０には、一方の側１０ａと、これと反対の他方の側とに、これらの間の中央部に比べて薄厚な薄肉部１８が形成されている。これら薄肉部１８は、その外周面（バックフォイル１１側の面）が前記中央部の外周面より凹んだ状態となるよう、薄厚化されて形成されている。
【００３７】
薄肉部１８を形成するには、例えばエッチング加工によってトップフォイル１０の両端部を、十μmオーダーでコントロールして所望の厚さ（薄さ）に形成する。具体的には、軸受径φ３５ｍｍとした場合、トップフォイル１０の厚さを１００μｍとすると、薄肉部１８の厚さは８０μｍ程度となるようにする。なお、このようなエッチング加工では、曲げ加工などに比べてトップフォイル１０に生じる応力が極めて小さく、したがってトップフォイル１０に歪みが生じることもほとんどない。
また、薄肉部１８の周方向の長さは、例えば、溝１３と、該溝１３の両側に位置する、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）の端部の山一つ分までに対応する長さとされる。
【００３８】
このようにトップフォイル１０の両端部に薄肉部１８を形成したことにより、これら両端部（薄肉部１８）は弾性変形し易くなり、したがってこれら両端部は軸受ハウジング１２の内周面を構成する曲面に倣って曲面となる。これにより、トップフォイル１０は、その両端部においても回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど発生しないようになる。
【００３９】
すなわち、従来のようにトップフォイルの一端部(止端部)をスポット溶接で軸受ハウジングに固定した場合、その両端付近(止端側と自由端側)が軸受ハウジングの内周面を構成する曲面になじみ難く、平面に近い状態になる。すると、平面に近い当該部位では回転軸を締め付ける力（局所的なプリロード）が発生し、その結果、始動トルクが高くなったり、運転中の発熱が設定以上に高くなるなどの不都合が起こる。これに対し、本実施形態のトップフォイル１０では、その両端部に薄肉部１８を形成したことにより、前記したように回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど発生しないようになる。
【００４０】
また、トップフォイル１０の両端部の外周面を、前記中央部の外周面より凹んだ状態となるように薄厚化して薄肉部１８を形成しているので、その外周面側を支持するバックフォイル１１との間において、その端部の山一つ分との間に隙間が形成される。これにより、該薄肉部１８においては、回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）が生じるのが確実に防止される。
【００４１】
次に、このような構成からなるラジアルフォイル軸受３の作用について説明する。
回転軸１が停止した状態では、トップフォイル１０はバックフォイル１１（６つのバックフォイル片１１ａ）によって回転軸１側に付勢されることで回転軸１に密着している。なお、本実施形態では、トップフォイル１０の両端部が薄肉部１８となっているので、これら薄肉部１８では回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど生じないようになっている。
【００４２】
そして、回転軸１を図２（ａ）中の矢印Ｐ方向に始動させると、最初は低速で回転を始め、その後徐々に加速して高速で回転する。すると、図２（ａ）中矢印Ｑで示すように、トップフォイル１０の一方の側１０ａとバックフォイル片１１ａの一端との間から周囲流体が引き入れられ、トップフォイル１０と回転軸１との間に流入する。これにより、トップフォイル１０と回転軸１との間に流体潤滑膜が形成される。
【００４３】
この流体潤滑膜の膜圧は、トップフォイル１０に作用し、トップフォイル１０に接するバックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃを押圧する。すると、バックフォイル片１１ａはトップフォイル１０に押圧されることにより、その山部１１ｃが押し広げられ、これによってバックフォイル片１１ａは軸受ハウジング１２上をその周方向に動こうとする。すなわち、バックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）は、トップフォイル１０を弾性的に支持するため、トップフォイル１０から荷重を受けた際にはその周方向に変形することで、トップフォイル１０の撓みを許容し、これを支持する。
【００４４】
しかし、図２（ｃ）に示すようにバックフォイル片１１ａは、係合突片３０、３０が軸受ハウジング１２の係合切欠１５、１５に係合しているため、軸受ハウジング１２の内周面上で周方向に回ることが防止（規制）されている。したがって、バックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃは、係合切欠１５に係合している係合突片３０を固定点（固定端）として周方向に変形する（動く）ものの、バックフォイル片１１ａ自体はその固定点（固定端）が係合切欠１５の形成位置からずれることはない。
【００４５】
また、バックフォイル片１１ａは周方向に変形する（動く）際、軸受ハウジング１２やトップフォイル１０との間の摩擦の影響を受けるため、その他方の側、すなわち自由端側では変形し易い（動き易い）ものの、前記固定点（固定端）側では変形し難くなっている。そのため、自由端側と固定端側とでは、バックフォイル片１１ａによる支持剛性に差が生じる。
【００４６】
しかし、本実施形態では、バックフォイル１１を６つのバックフォイル片１１ａに分割しているため、バックフォイル１１を単一のフォイルで形成した場合に比べ、固定端と自由端との間の距離が短くなっている。したがって、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差が小さくなっている。
【００４７】
また、回転軸１が高速で回転している際、係合突片３０、３０に係合している係合切欠１５、１５がバックフォイル片１１ａの軸方向への動きも拘束し、その摺動を規制しているため、バックフォイル片１１ａにはほとんどガタツキが生じないようになっている。また、不測に衝撃等が作用した場合でも、係合切欠１５、１５への係合突片３０、３０の係合により、バックフォイル片１１ａが軸受ハウジング１２から脱落することはない。なお、係合突片３０を係合切欠１５に差し込んで係合させるだけの簡易な構造になっているものの、トップフォイル１０がバックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）を覆っているため、やはり衝撃等によってバックフォイル片１１ａが軸受ハウジング１２から脱落することはない。
【００４８】
また、流体潤滑膜が形成されるまでの過渡状態においては、回転軸１とトップフォイル１０との間に固体摩擦が生じ、これが始動時の抵抗になる。しかし、前記したようにトップフォイル１０の両端部でプリロードが生じなくなっていることや、周囲流体が流入する側のトップフォイル１０が薄肉部１８となっていて柔らかくなっており、トップフォイル１０と回転軸１との間が開口し易くなっていることにより、回転軸１が始動すると早期に流体潤滑膜が形成され、回転軸１はトップフォイル１０に対して非接触状態で回転するようになる。
【００４９】
このようなラジアルフォイル軸受３にあっては、軸受ハウジング１２の両側面にそれぞれ係合切欠１５を形成し、バックフォイル片１１ａの一方の側の両側端部にそれぞれ係合突片３０を設け、これら係合突片３０、３０をそれぞれ係合切欠１５、１５に係合させているので、バックフォイル片１１ａに対してスポット溶接を行うことなく、バックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）を軸受ハウジング１２内に収容・固定することができる。また、バックフォイル片１１ａは、軸受ハウジング１２の周方向および軸方向への摺動が軸受ハウジング１２の両側面に形成された係合切欠１５、１５に規制されるので、ほとんどガタツキが生じないようになっている。したがって、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）のスポット溶接やバックフォイルのガタツキによりトップフォイル１０に歪みが生じるのを防止し、トップフォイル１０の歪みを充分に少なくすることができる。よって、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について、設計通りの良好な性能を発揮させることができる。
【００５０】
また、バックフォイル１１については、従来のスポット溶接を無くすことができ、さらに歪みを発生させる曲げ加工を僅かな部位のみとしているため、製作の難易度を低下させ、製造コストを低減化することができる。すなわち、溶接不良による組立て不良や組立てのバラツキを無くしたので、良品率の向上によるコストダウンを図ることができる。また、バックフォイル１１に特別な曲げ加工を行わず、簡易な曲げ加工のみとしているため、バックフォイル１１を高精度にプレス成型することが可能になる。
さらに、バックフォイル１１の溶接を不要にしたことで、良品率や性能が溶接の良し悪しに影響されないようになるため、再現性が高くなって量産性に優れたものとなり、バックフォイル１１の周方向での複数分割化にも対応し易くなる。
【００５１】
また、バックフォイル１１を、トップフォイル１０の周方向に沿って配置された６つ（複数）のバックフォイル片１１ａで構成し、これらバックフォイル片１１ａにそれぞれ係合突片３０を形成しているので、バックフォイル片１１における固定端と自由端との間の距離を短くし、これによって自由端側と固定端側との間の支持剛性の差を小さくし、バックフォイル１１全体での支持剛性のバラツキを少なくすることができる。したがって、バックフォイル１１全体で均一な支持剛性と滑り特性が得られようになるため、大きな軸受負荷能力と、高い軸受剛性能力及び減衰能力を得ることができる。
【００５２】
次に、図１に示したターボ機械に適用されるラジアルフォイル軸受の第２実施形態を、図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態のラジアルフォイル軸受３が、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）、（ｂ）に示した第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と異なるところは、バックフォイル片１１ａの配置にある。
【００５３】
すなわち、本実施形態では、図４（ａ）に示すように前記６つのバックフォイル片１１ａのうち、互いに隣り合う一対のバックフォイル片１１ａ、１１ａを、それぞれの係合突片３０が近接した状態となるように配置している。また、これに対応して軸受ハウジング１２では、その両側面に形成する係合切欠１５を、６つずつでなく３つずつ形成している。このような構成のもとに、本実施形態のラジアルフォイル軸受３では、隣り合う一対のバックフォイル片１１ａ、１１ａの、近接して配置された一対の係合突片３０、３０が、図４（ｂ）に示すように一つの係合切欠１５に係合するようになっている。
【００５４】
なお、図４（ｂ）に示した係合切欠１５は、一対の係合突片３０、３０に係合するため、１つの係合突片３０、３０に係合する図２（ｂ）に示した係合切欠１５に比べ、その横幅がほぼ２倍に広くなっている。
このような構成のラジアルフォイル軸受３にあっては、図２、図３に示した第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と同じ効果に加え、軸受ハウジング１２に形成する係合切欠１５の数を減らすことができ、加工コストを抑えることができるという効果も得ることができる。
【００５５】
次に、図１に示したターボ機械に適用されるラジアルフォイル軸受の第３実施形態を、図５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態のラジアルフォイル軸受３が、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）、（ｂ）に示した第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と異なるところは、バックフォイル片１１ａの、軸受ハウジング１２に対する係合部の構造にある。
【００５６】
すなわち、本実施形態では、図５（ａ）に示すようにバックフォイル１１ａに、その係合突片３０、３０間に該係合突片３０より高さが低い係合突条３２が設けられている。このような係合突条３２の形成は、平坦化したバックフォイル片１１ａの平面図である図５（ｂ）に示す、折り曲げ線Ｍで示す位置で折り曲げることにより、形成することができる。すなわち、本実施形態では、図３（ａ）に示した場合に比べてバックフォイル片１１ａの周方向における凹部３１の寸法Ｎを小さくし、その分、折り曲げ線Ｍを両側端部３０ａ、３０ａより遠ざける。これにより、折り曲げ線Ｍでバックフォイル片１１ａを折り曲げると、両側端部３０ａ、３０ａだけでなくこれらの間の谷部１１ｂの一部も折り曲げられ、図５（ａ）に示したように係合突片３０、３０間に該係合突片３０より高さが低い係合突条３２が形成される。
【００５７】
また、軸受ハウジング１２の内周面には、対向する一対の係合切欠１５、１５間に、該係合切欠１５、１５より深さが浅い係合溝１６が、該係合切欠１５、１５に連通して形成されている。これにより、係合切欠１５と係合溝１６との間には段差部（図示せず）が形成されている。係合溝１６は、その深さが、前記係合突条３２の長さ（高さ）、すなわち下方に延びる長さに対応し、これと同じか僅かに深くなるように形成されている。なお、係合切欠１５の、前記段差部までの深さは、係合突片３０の横幅と同じか僅かに深くなるように形成されている。
【００５８】
このような構成のもとにバックフォイル片１１ａは、係合突片３０、３０が軸受ハウジング１２の係合切欠１５、１５に係合し、かつ前記段差部に係止するとともに、係合突条３２が係合溝１６に係合している。
したがって、本実施形態のラジアルフォイル軸受３にあっては、図２、図３に示した第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と同じ効果に加え、係合突条３２を係合溝１６に係合させていることにより、軸受ハウジング１２に対してバックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）をより強固に固定できるという効果も得ることができる。
【００５９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態ではバックフォイル１１を６つのバックフォイル片１１ａによって構成したが、バックフォイル１１については、１枚の金属箔を略円筒状に成形した単一のもので構成してもよい。また、複数のバックフォイル片１１ａで構成する場合には、２つ〜５つ、または７つ以上のバックフォイル片１１ａでバックフォイル１１を構成するようにしてもよい。
【００６０】
また、前記実施形態においては、係合切欠１５を軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁まで切り欠いて溝状に形成したが、軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁に向かって延びていれば、外周縁に到達することなく、その手前まで切り欠くことで、係合切欠１５を形成してもよい。
【００６１】
さらに、前記実施形態では、トップフォイル１０についてもこれを溶接で固定することなく、その一方の側１０ａを軸受ハウジング１２に形成した溝１３に係合させることで、軸受ハウジング１２内に収容・固定するようにしたが、トップフォイル１０の固定については、溶接を含めて任意に行うことができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…回転軸、３…ラジアルフォイル軸受、１０…トップフォイル、１１…バックフォイル（バンプフォイル）、１１ａ…バックフォイル片、１１ｂ…谷部、１１ｃ…山部、１２…軸受ハウジング、１５…係合切欠、１６…係合溝、３０…係合突片、３１…凹部、３２…係合突条
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアルフォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に外挿されて用いられるラジアル軸受が知られている。このようなラジアル軸受としては、軸受面を形成する薄板状のトップフォイルと、このトップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備えたラジアルフォイル軸受がよく知られている。ラジアルフォイル軸受のバックフォイルとしては、薄板を波板状に成形したバンプフォイルが主として用いられている。
【０００３】
このようなラジアルフォイル軸受にあっては、通常、トップフォイルやバックフォイルが軸受ハウジングから脱落するのを防止するため、その一端部(止端部)がスポット溶接によって軸受ハウジングに直接、あるいはスペーサを介して間接的に固定されている。
また、溶接に代えて機械的に固定を行うべく、トップフォイルやバックフォイル（バンプフォイル）の端部を曲げ加工によって折り曲げ、この折り曲げ部を軸受ハウジングの内周面に形成した係合溝に係合させた構造のものも知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０３３１７６号公報
【特許文献２】特開２０１１−０１７３８５号公報
【特許文献３】特開２００２−０６１６４５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、軸受ハウジングへのバックフォイル(バンプフォイル)の固定を溶接で行うと、入熱によってバックフォイルや軸受ハウジングが変形し、この影響を受けてトップフォイルに歪みが生じてしまう。
また、前記特許文献１〜３のものでは、軸受ハウジングの内周面に形成した係合溝にトップフォイルやバックフォイル（バンプフォイル）の端部（折り曲げ部）を係合させることにより、これらトップフォイルやバックフォイルを軸受ハウジングに固定している。
ところが、このような構造では、動作時にラジアルフォイル軸受が大きな外力を受けると、特にバックフォイルが軸受ハウジングの軸方向に摺動し、ガタツキを生じてしまう。すると、このバックフォイルのガタツキにより、トップフォイルに歪みが生じることがある。
【０００６】
しかしながら、回転軸の回転によって該回転軸とトップフォイルとの間に形成されるフォイル軸受の流体潤滑膜は、１０μｍ前後と非常に薄いため、トップフォイルに少しでも歪みが生じると、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)に影響が及び、設計通りの性能が得られなくなる。
【０００７】
また、ラジアルフォイル軸受の軸受性能を向上させるためには、バックフォイルをその周方向に複数分割することが有効であると考えられる。しかし、その場合には、軸受ハウジングに対するバックフォイルの固定点が多くなるため、従来の溶接による固定では溶接箇所が増えることで工数が増え、製造コストが増大してしまう。また、溶接箇所が増えると、全箇所が良好に溶接できなければ製品として出荷できないため、品質維持が難しくなり、良品率の低下によるコストアップも懸念される。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、トップフォイルに生じる歪みを充分に少なくし、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について設計通りの良好な性能が得られるようにするとともに、コストアップを抑制した、ラジアルフォイル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】
本発明のラジアルフォイル軸受は、回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、
前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを内挿した状態に収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
前記軸受ハウジングの両側面には、それぞれ、該軸受ハウジングの内周縁から外周縁に向かって延びる係合切欠が形成され、
前記バックフォイルには、前記軸受ハウジングの周方向における一方の側の両側端部に、それぞれ前記係合切欠に係合する係合突片が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
このラジアルフォイル軸受にあっては、軸受ハウジングの両側面にそれぞれ係合切欠を形成し、バックフォイルの一方の側の両側端部にそれぞれ係合突片を設け、これら係合突片をそれぞれ前記係合切欠に係合させているので、バックフォイルに対してスポット溶接を行うことなく、バックフォイルを軸受ハウジング内に収容・固定することができる。また、バックフォイルは、軸受ハウジングの周方向および軸方向への摺動が軸受ハウジングの両側面に形成された係合切欠に規制されるので、ほとんどガタツキが生じないようになっている。したがって、バックフォイルのスポット溶接やバックフォイルのガタツキによりトップフォイルに歪みが生じるのが防止され、トップフォイルの歪みが充分に少なくなる。また、バックフォイルの溶接を不要にしたため、溶接不良による組立て不良や組立てのバラツキを無くすことができる。
【００１１】
また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数のバックフォイル片を有して構成され、前記バックフォイル片には、それぞれ前記係合突片が形成されていることが好ましい。
バックフォイルは、トップフォイルを弾性的に支持するため、トップフォイルから荷重を受けた際には、その周方向に変形することでトップフォイルの撓みを許容し、これを支持する。しかし、バックフォイルは周方向に変形する際、軸受ハウジングとの間の摩擦の影響を受けるため、自由端側では変形し易いものの、係合突片を形成した固定端側では変形し難くなっている。そのため、自由端側と固定端側とでは支持剛性に差が生じてしまい、軸受全体として均一な支持剛性が得られにくくなってしまう。
そこで、バックフォイルを、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数のバックフォイル片を有した形態に構成しているので、バックフォイル片における固定端と自由端との間の距離が短くなり、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差が小さくなる。よって、バックフォイル全体での支持剛性のバラツキが少なくなる。
【００１２】
また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記バックフォイル片のうちの互いに隣り合う一対のバックフォイル片は、それぞれの前記係合突片が近接した状態に配置され、これら近接した一対の係合突片が、一つの前記係合切欠に係合していることが好ましい。
このようにすれば、軸受ハウジングに形成する係合切欠の数を減らすことができ、加工コストを抑えることができる。
【００１３】
また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記軸受ハウジングの内周面には、対向する一対の前記係合切欠間に、該係合切欠より深さが浅い係合溝が形成され、前記バックフォイルには、前記係合突片間に該係合突片より高さが低い係合突条が設けられ、前記係合突片が前記係合切欠に係合するとともに、前記係合突条が前記係合溝に係合していることが好ましい。
このようにすれば、係合突条が係合溝に係合していることにより、軸受ハウジングに対してバックフォイルがより強固に固定される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のラジアルフォイル軸受によれば、バックフォイルのスポット溶接やバックフォイルのガタツキによりトップフォイルに歪みが生じるのを防止し、トップフォイルの歪みが充分に少なくなるようにしたので、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について、設計通りの良好な性能を得ることができる。
また、溶接を不要にして溶接不良による組立て不良や組立てのバラツキを無くしたので、良品率の向上によるコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るラジアルフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係るラジアルフォイル軸受の第１実施形態の概略構成を示す図であり、（ａ）はラジアルフォイル軸受の側面図、（ｂ）はラジアルフォイル軸受の要部を示す斜視図、（ｃ）は（ａ）の要部を平坦化して模式的に示す側面図、（ｄ）は（ｃ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】（ａ）は平坦化したバックフォイル片の平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図４】本発明に係るラジアルフォイル軸受の第２実施形態の概略構成を示す図であり、（ａ）はラジアルフォイル軸受の側面図、（ｂ）はラジアルフォイル軸受の要部を示す斜視図である。
【図５】本発明に係るラジアルフォイル軸受の第３実施形態の概略構成を示す図であり、（ａ）はラジアルフォイル軸受の要部を示す斜視図、（ｂ）は平坦化したバックフォイル片の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明のラジアルフォイル軸受を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１７】
図１は、本発明のラジアル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り、図１中符号１は回転軸、２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、３は本発明に係るラジアルフォイル軸受である。なお、図１では省略してラジアルフォイル軸受を一つしか記載していないが、通常は回転軸１の軸方向にラジアルフォイル軸受が２つ設けられて、回転軸１の支持構造が構成される。したがって、本実施形態においてもラジアルフォイル軸受３が２つ設けられているものとする。
【００１８】
回転軸１には、インペラ２が形成された側にスラストカラー４が固定されており、このスラストカラー４の両側には、このスラストカラー４に対向してそれぞれの側にスラスト軸受５が配置されている。
また、インペラ２は静止側となるハウジング６内に配置されており、ハウジング６との間にチップクリアランス７を有している。
また、回転軸１には、スラストカラー４より中央側に、ラジアルフォイル軸受３が外挿されている。
【００１９】
図２（ａ）〜（ｄ）は、このような構成のターボ機械に適用されたラジアルフォイル軸受の第１実施形態を示す図である。本実施形態のラジアルフォイル軸受３は、図２（ａ）に示すように回転軸１に外挿されて該回転軸１を支持する円筒状のもので、回転軸１に対向して配置される円筒状のトップフォイル１０と、該トップフォイル１０の径方向外側に配置されるバックフォイル１１と、該バックフォイル１１の径方向外側に配置される軸受ハウジング１２とを備えて構成されている。
【００２０】
軸受ハウジング１２は、ラジアルフォイル軸受３の最外部を構成する金属製で円筒状のもので、内部にバックフォイル１１およびトップフォイル１０を収容したものである。この軸受ハウジング１２には、その内周面に、該軸受ハウジング１２の軸方向に沿って溝１３が形成されている。
すなわち、軸受ハウジング１２の内周面には、該軸受ハウジング１２の軸方向の全長に渡って溝１３が形成されている。この溝１３は、その深さ方向が、後述するトップフォイル１０の一方の側１０ａが延び出る方向に一致して形成されている。また、その深さは、２ｍｍ〜５ｍ程度とされる。
【００２１】
また、軸受ハウジング１２の外周面側には、前記溝１３に連通する孔１４が一対形成されている。これら孔１４は、後述するように溝１３内に差し入れられたトップフォイル１０の一方の側１０ａを、溝１３内に固定するのに用いられる雄ネジの挿入用の孔であり、内周面に雌ネジ部が形成されている。
【００２２】
また、軸受ハウジング１２の両側面には、図２（ａ）、（ｂ）に示すようにそれぞれ、該軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁に向かって延びる係合切欠１５が形成されている。係合切欠１５は、本実施形態では軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁にまで切り欠かれた溝状のもので、図２（ａ）に示すように軸受ハウジング１２の側面を、その周方向にほぼ６分割する位置に、それぞれ形成されている。そして、これら係合切欠１５には、後述するバックフォイル１１の係合突片３０が係合している。なお、本実施形態では、前記６つの係合切欠１５のうちの２つの係合切欠１５、１５の間に、前記溝１３が配置されている。
【００２３】
バックフォイル１１は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル１０を弾性的に支持するものである。このようなバックフォイル１１としては、例えばバンプフォイルや、特開２００６−５７６５２号公報や特開２００４−２７０９０４号公報などに記載されているスプリングフォイル、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が用いられる。本実施形態では、バックフォイル１１としてバンプフォイルを用いている。ただし、前記のスプリングフォイルやバックフォイルを、本発明のバックフォイルとして用いてもよいのはもちろんである。
【００２４】
バックフォイル（バンプフォイル）１１は、図２（ａ）に示すように本実施形態では、トップフォイル１０の周方向に沿って配置された６つ（複数）のバックフォイル片１１ａによって構成されている。これらバックフォイル片１１ａは、フォイル（薄板）が波板状に成形され、かつ、側面が全体として略円弧状になるよう成形されたもので、６つが全て同じ形状・寸法に形成されている。したがって、これらバックフォイル片１１ａは、軸受ハウジング１２の内周面をほぼ６分割して配置されている。
【００２５】
また、これらバックフォイル片１１ａは、前記溝１３を挟む位置ではある程度の隙間をあけて配置されているものの、それ以外の位置では、互いの端部が近接して配置されている。このような構成によって６つのバックフォイル片１１ａは、全体として略円筒形状に形成されて、軸受ハウジング１２の内周面に沿って配置されている。
【００２６】
また、このように波板状に成形されたバックフォイル片１１ａは、図２（ａ）の要部を平坦化して模式的に示す図２（ｃ）に示すように、軸受ハウジング１２の周方向に沿って、該軸受ハウジング１２と接する平坦な谷部１１ｂと、トップフォイル１０に接する湾曲した山部１１ｃとを交互に形成している。これによってバックフォイル片１１ａは、特にトップフォイル１０に接する山部１１ｃにより、トップフォイル１０を弾性的に支持している。また、ラジアルフォイル軸受３の軸方向に、山部１１ｃや谷部１１ｂによる流体の通路を形成している。
【００２７】
また、これらバックフォイル片１１ａには、その一方の側、すなわち軸受ハウジング１２の周方向における一方の側の両側端部に、それぞれ係合突片３０が形成されている。これら係合突片３０、３０は、平坦化したバックフォイル片１１ａの平面図である図３（ａ）に示すように、谷部１１ｂとなっている一方の側の両側端部３０ａ、３０ａ間が切り欠かれて凹部３１が形成され、さらに、平坦化したバックフォイル片１１ａの側面図である図３（ｂ）に示すように、前記両側端部３０ａ、３０ａがそれぞれ下方（山部１１ｃが突出する方向と反対の方向）に向けてほぼ直角に折り曲げられることで、形成されたものである。なお、両側端部３０ａ、３０ａの折り曲げ位置を、図３（ａ）中に折り曲げ線Ｍで示す。
【００２８】
このような係合突片３０、３０（両側端部３０ａ、３０ａ）の折り曲げ加工によってバックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）には歪みが生じるものの、加工部分が僅かであるため、生じる歪みは充分に小さく、したがってこの歪みがトップフォイル１０に影響することはほとんどない。
【００２９】
なお、バックフォイル片１１ａにおける凹部３１の形成については、バリが発生せず、ストレスを与えないため歪みも生じないように、フォイルをエッチング加工や放電加工で行うのが好ましい。すなわち、エッチング加工や放電加工でフォイルに凹部３１を形成した後、山部１１ｃや谷部１１ｂを形成するためのプレス成型を行い、その後、両側端部３０ａ、３０ａを折り曲げて係合突片３０、３０を形成し、バックフォイル片１１ａを形成するのが好ましい。
【００３０】
これら係合突片３０、３０は、図２（ａ）に示すようにそれぞれ係合切欠１５に係合している。すなわち、図２（ｂ）中矢印で示すように、バックフォイル片１１ａの係合突片３０、３０が軸受ハウジング１２の係合切欠１５に挿入されることにより、図２（ｃ）のＡ−Ａ線矢視断面図である図２（ｄ）に示すように、係合切欠１５、１５にそれぞれ係合突片３０が係合している。このように係合切欠１５、１５に係合突片３０、３０が係合すると、バックフォイル片１１ａは軸受ハウジング１２の周方向への摺動はもちろん、その軸方向への摺動も、係合突片３０、３０が係合している係合切欠１５、１５に規制されるため、ほとんどガタツキが生じないようになっている。
【００３１】
なお、係合突片３０の長さとしては、これが軸受ハウジング１２の外周面側に突出しない長さとされる。具体的には、軸受けハウジング１２の厚さが例えば５ｍｍである場合、係合突片３０の長さは２ｍｍ〜５ｍｍ程度とされる。
【００３２】
図２（ａ）に示すようにトップフォイル１０は、６つのバックフォイル片１１ａからなるバックフォイル１１の内面に沿って円筒状に巻かれたもので、一方の側１０ａの先端部が軸受ハウジング１２に形成された前記溝１３に係合するように配設されたものである。このトップフォイル１０は、軸受周方向を長辺とし、軸受長方向を短辺とする矩形状の金属箔が長辺の長さ方向（軸受周方向）に円筒状に巻かれて、形成されたものである。
【００３３】
ただし、このトップフォイル１０は、前記金属箔の両端が突き合わされるように巻かれることなく、一方の側１０ａが他方の側の外側に重なるように巻かれている。また、一方の側１０ａは、これ以外の部分で形成される円筒部の所定位置での接線方向に、延び出て形成されている。
また、前記の軸受ハウジング１２における溝１３は、その深さ方向が、トップフォイル１０の一方の側１０ａの延び出る方向に一致するように形成されている。
【００３４】
したがって、トップフォイル１０は、その一方の側１０ａの延び出た方向が溝１３の深さ方向に一致するように配置されて、その一方の側１０ａの先端部が該溝１３に係合させられている。これにより、トップフォイル１０は、その一方の側１０ａが溝１３に係合した状態では変形しないため、歪みが生じないようになっている。
【００３５】
また、本実施形態では、溝１３に係合しているトップフォイル１０の一方の側１０ａは、雄ネジ１７によって溝１３内に固定されている。すなわち、雄ネジ１７が前記孔１４に螺合し挿入されることにより、一方の側１０ａが溝１３の内壁面に密着させられることで固定されている。なお、このように溝１３の内壁面に密着させられることによる一方の側１０ａの変形は僅かであり、したがって、この変形によってトップフォイル１０に歪みが生じることはほとんどない。
【００３６】
また、トップフォイル１０には、一方の側１０ａと、これと反対の他方の側とに、これらの間の中央部に比べて薄厚な薄肉部１８が形成されている。これら薄肉部１８は、その外周面（バックフォイル１１側の面）が前記中央部の外周面より凹んだ状態となるよう、薄厚化されて形成されている。
【００３７】
薄肉部１８を形成するには、例えばエッチング加工によってトップフォイル１０の両端部を、十μmオーダーでコントロールして所望の厚さ（薄さ）に形成する。具体的には、軸受径φ３５ｍｍとした場合、トップフォイル１０の厚さを１００μｍとすると、薄肉部１８の厚さは８０μｍ程度となるようにする。なお、このようなエッチング加工では、曲げ加工などに比べてトップフォイル１０に生じる応力が極めて小さく、したがってトップフォイル１０に歪みが生じることもほとんどない。
また、薄肉部１８の周方向の長さは、例えば、溝１３と、該溝１３の両側に位置する、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）の端部の山一つ分までに対応する長さとされる。
【００３８】
このようにトップフォイル１０の両端部に薄肉部１８を形成したことにより、これら両端部（薄肉部１８）は弾性変形し易くなり、したがってこれら両端部は軸受ハウジング１２の内周面を構成する曲面に倣って曲面となる。これにより、トップフォイル１０は、その両端部においても回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど発生しないようになる。
【００３９】
すなわち、従来のようにトップフォイルの一端部(止端部)をスポット溶接で軸受ハウジングに固定した場合、その両端付近(止端側と自由端側)が軸受ハウジングの内周面を構成する曲面になじみ難く、平面に近い状態になる。すると、平面に近い当該部位では回転軸を締め付ける力（局所的なプリロード）が発生し、その結果、始動トルクが高くなったり、運転中の発熱が設定以上に高くなるなどの不都合が起こる。これに対し、本実施形態のトップフォイル１０では、その両端部に薄肉部１８を形成したことにより、前記したように回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど発生しないようになる。
【００４０】
また、トップフォイル１０の両端部の外周面を、前記中央部の外周面より凹んだ状態となるように薄厚化して薄肉部１８を形成しているので、その外周面側を支持するバックフォイル１１との間において、その端部の山一つ分との間に隙間が形成される。これにより、該薄肉部１８においては、回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）が生じるのが確実に防止される。
【００４１】
次に、このような構成からなるラジアルフォイル軸受３の作用について説明する。
回転軸１が停止した状態では、トップフォイル１０はバックフォイル１１（６つのバックフォイル片１１ａ）によって回転軸１側に付勢されることで回転軸１に密着している。なお、本実施形態では、トップフォイル１０の両端部が薄肉部１８となっているので、これら薄肉部１８では回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど生じないようになっている。
【００４２】
そして、回転軸１を図２（ａ）中の矢印Ｐ方向に始動させると、最初は低速で回転を始め、その後徐々に加速して高速で回転する。すると、図２（ａ）中矢印Ｑで示すように、トップフォイル１０の一方の側１０ａとバックフォイル片１１ａの一端との間から周囲流体が引き入れられ、トップフォイル１０と回転軸１との間に流入する。これにより、トップフォイル１０と回転軸１との間に流体潤滑膜が形成される。
【００４３】
この流体潤滑膜の膜圧は、トップフォイル１０に作用し、トップフォイル１０に接するバックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃを押圧する。すると、バックフォイル片１１ａはトップフォイル１０に押圧されることにより、その山部１１ｃが押し広げられ、これによってバックフォイル片１１ａは軸受ハウジング１２上をその周方向に動こうとする。すなわち、バックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）は、トップフォイル１０を弾性的に支持するため、トップフォイル１０から荷重を受けた際にはその周方向に変形することで、トップフォイル１０の撓みを許容し、これを支持する。
【００４４】
しかし、図２（ｃ）に示すようにバックフォイル片１１ａは、係合突片３０、３０が軸受ハウジング１２の係合切欠１５、１５に係合しているため、軸受ハウジング１２の内周面上で周方向に回ることが防止（規制）されている。したがって、バックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃは、係合切欠１５に係合している係合突片３０を固定点（固定端）として周方向に変形する（動く）ものの、バックフォイル片１１ａ自体はその固定点（固定端）が係合切欠１５の形成位置からずれることはない。
【００４５】
また、バックフォイル片１１ａは周方向に変形する（動く）際、軸受ハウジング１２やトップフォイル１０との間の摩擦の影響を受けるため、その他方の側、すなわち自由端側では変形し易い（動き易い）ものの、前記固定点（固定端）側では変形し難くなっている。そのため、自由端側と固定端側とでは、バックフォイル片１１ａによる支持剛性に差が生じる。
【００４６】
しかし、本実施形態では、バックフォイル１１を６つのバックフォイル片１１ａに分割しているため、バックフォイル１１を単一のフォイルで形成した場合に比べ、固定端と自由端との間の距離が短くなっている。したがって、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差が小さくなっている。
【００４７】
また、回転軸１が高速で回転している際、係合突片３０、３０に係合している係合切欠１５、１５がバックフォイル片１１ａの軸方向への動きも拘束し、その摺動を規制しているため、バックフォイル片１１ａにはほとんどガタツキが生じないようになっている。また、不測に衝撃等が作用した場合でも、係合切欠１５、１５への係合突片３０、３０の係合により、バックフォイル片１１ａが軸受ハウジング１２から脱落することはない。なお、係合突片３０を係合切欠１５に差し込んで係合させるだけの簡易な構造になっているものの、トップフォイル１０がバックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）を覆っているため、やはり衝撃等によってバックフォイル片１１ａが軸受ハウジング１２から脱落することはない。
【００４８】
また、流体潤滑膜が形成されるまでの過渡状態においては、回転軸１とトップフォイル１０との間に固体摩擦が生じ、これが始動時の抵抗になる。しかし、前記したようにトップフォイル１０の両端部でプリロードが生じなくなっていることや、周囲流体が流入する側のトップフォイル１０が薄肉部１８となっていて柔らかくなっており、トップフォイル１０と回転軸１との間が開口し易くなっていることにより、回転軸１が始動すると早期に流体潤滑膜が形成され、回転軸１はトップフォイル１０に対して非接触状態で回転するようになる。
【００４９】
このようなラジアルフォイル軸受３にあっては、軸受ハウジング１２の両側面にそれぞれ係合切欠１５を形成し、バックフォイル片１１ａの一方の側の両側端部にそれぞれ係合突片３０を設け、これら係合突片３０、３０をそれぞれ係合切欠１５、１５に係合させているので、バックフォイル片１１ａに対してスポット溶接を行うことなく、バックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）を軸受ハウジング１２内に収容・固定することができる。また、バックフォイル片１１ａは、軸受ハウジング１２の周方向および軸方向への摺動が軸受ハウジング１２の両側面に形成された係合切欠１５、１５に規制されるので、ほとんどガタツキが生じないようになっている。したがって、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）のスポット溶接やバックフォイルのガタツキによりトップフォイル１０に歪みが生じるのを防止し、トップフォイル１０の歪みを充分に少なくすることができる。よって、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について、設計通りの良好な性能を発揮させることができる。
【００５０】
また、バックフォイル１１については、従来のスポット溶接を無くすことができ、さらに歪みを発生させる曲げ加工を僅かな部位のみとしているため、製作の難易度を低下させ、製造コストを低減化することができる。すなわち、溶接不良による組立て不良や組立てのバラツキを無くしたので、良品率の向上によるコストダウンを図ることができる。また、バックフォイル１１に特別な曲げ加工を行わず、簡易な曲げ加工のみとしているため、バックフォイル１１を高精度にプレス成型することが可能になる。
さらに、バックフォイル１１の溶接を不要にしたことで、良品率や性能が溶接の良し悪しに影響されないようになるため、再現性が高くなって量産性に優れたものとなり、バックフォイル１１の周方向での複数分割化にも対応し易くなる。
【００５１】
また、バックフォイル１１を、トップフォイル１０の周方向に沿って配置された６つ（複数）のバックフォイル片１１ａで構成し、これらバックフォイル片１１ａにそれぞれ係合突片３０を形成しているので、バックフォイル片１１における固定端と自由端との間の距離を短くし、これによって自由端側と固定端側との間の支持剛性の差を小さくし、バックフォイル１１全体での支持剛性のバラツキを少なくすることができる。したがって、バックフォイル１１全体で均一な支持剛性と滑り特性が得られようになるため、大きな軸受負荷能力と、高い軸受剛性能力及び減衰能力を得ることができる。
【００５２】
次に、図１に示したターボ機械に適用されるラジアルフォイル軸受の第２実施形態を、図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態のラジアルフォイル軸受３が、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）、（ｂ）に示した第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と異なるところは、バックフォイル片１１ａの配置にある。
【００５３】
すなわち、本実施形態では、図４（ａ）に示すように前記６つのバックフォイル片１１ａのうち、互いに隣り合う一対のバックフォイル片１１ａ、１１ａを、それぞれの係合突片３０が近接した状態となるように配置している。また、これに対応して軸受ハウジング１２では、その両側面に形成する係合切欠１５を、６つずつでなく３つずつ形成している。このような構成のもとに、本実施形態のラジアルフォイル軸受３では、隣り合う一対のバックフォイル片１１ａ、１１ａの、近接して配置された一対の係合突片３０、３０が、図４（ｂ）に示すように一つの係合切欠１５に係合するようになっている。
【００５４】
なお、図４（ｂ）に示した係合切欠１５は、一対の係合突片３０、３０に係合するため、１つの係合突片３０、３０に係合する図２（ｂ）に示した係合切欠１５に比べ、その横幅がほぼ２倍に広くなっている。
このような構成のラジアルフォイル軸受３にあっては、図２、図３に示した第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と同じ効果に加え、軸受ハウジング１２に形成する係合切欠１５の数を減らすことができ、加工コストを抑えることができるという効果も得ることができる。
【００５５】
次に、図１に示したターボ機械に適用されるラジアルフォイル軸受の第３実施形態を、図５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。本実施形態のラジアルフォイル軸受３が、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）、（ｂ）に示した第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と異なるところは、バックフォイル片１１ａの、軸受ハウジング１２に対する係合部の構造にある。
【００５６】
すなわち、本実施形態では、図５（ａ）に示すようにバックフォイル１１ａに、その係合突片３０、３０間に該係合突片３０より高さが低い係合突条３２が設けられている。このような係合突条３２の形成は、平坦化したバックフォイル片１１ａの平面図である図５（ｂ）に示す、折り曲げ線Ｍで示す位置で折り曲げることにより、形成することができる。すなわち、本実施形態では、図３（ａ）に示した場合に比べてバックフォイル片１１ａの周方向における凹部３１の寸法Ｎを小さくし、その分、折り曲げ線Ｍを両側端部３０ａ、３０ａより遠ざける。これにより、折り曲げ線Ｍでバックフォイル片１１ａを折り曲げると、両側端部３０ａ、３０ａだけでなくこれらの間の谷部１１ｂの一部も折り曲げられ、図５（ａ）に示したように係合突片３０、３０間に該係合突片３０より高さが低い係合突条３２が形成される。
【００５７】
また、軸受ハウジング１２の内周面には、対向する一対の係合切欠１５、１５間に、該係合切欠１５、１５より深さが浅い係合溝１６が、該係合切欠１５、１５に連通して形成されている。これにより、係合切欠１５と係合溝１６との間には段差部（図示せず）が形成されている。係合溝１６は、その深さが、前記係合突条３２の長さ（高さ）、すなわち下方に延びる長さに対応し、これと同じか僅かに深くなるように形成されている。なお、係合切欠１５の、前記段差部までの深さは、係合突片３０の横幅と同じか僅かに深くなるように形成されている。
【００５８】
このような構成のもとにバックフォイル片１１ａは、係合突片３０、３０が軸受ハウジング１２の係合切欠１５、１５に係合し、かつ前記段差部に係止するとともに、係合突条３２が係合溝１６に係合している。
したがって、本実施形態のラジアルフォイル軸受３にあっては、図２、図３に示した第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と同じ効果に加え、係合突条３２を係合溝１６に係合させていることにより、軸受ハウジング１２に対してバックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）をより強固に固定できるという効果も得ることができる。
【００５９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態ではバックフォイル１１を６つのバックフォイル片１１ａによって構成したが、バックフォイル１１については、１枚の金属箔を略円筒状に成形した単一のもので構成してもよい。また、複数のバックフォイル片１１ａで構成する場合には、２つ〜５つ、または７つ以上のバックフォイル片１１ａでバックフォイル１１を構成するようにしてもよい。
【００６０】
また、前記実施形態においては、係合切欠１５を軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁まで切り欠いて溝状に形成したが、軸受ハウジング１２の内周縁から外周縁に向かって延びていれば、外周縁に到達することなく、その手前まで切り欠くことで、係合切欠１５を形成してもよい。
【００６１】
さらに、前記実施形態では、トップフォイル１０についてもこれを溶接で固定することなく、その一方の側１０ａを軸受ハウジング１２に形成した溝１３に係合させることで、軸受ハウジング１２内に収容・固定するようにしたが、トップフォイル１０の固定については、溶接を含めて任意に行うことができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…回転軸、３…ラジアルフォイル軸受、１０…トップフォイル、１１…バックフォイル（バンプフォイル）、１１ａ…バックフォイル片、１１ｂ…谷部、１１ｃ…山部、１２…軸受ハウジング、１５…係合切欠、１６…係合溝、３０…係合突片、３１…凹部、３２…係合突条
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、
前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを内挿した状態に収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
前記軸受ハウジングの両側面には、それぞれ、該軸受ハウジングの内周縁から外周縁に向かって延びる係合切欠が形成され、
前記バックフォイルには、前記軸受ハウジングの周方向における一方の側の両側端部に、それぞれ前記係合切欠に係合する係合突片が設けられていることを特徴とするラジアルフォイル軸受。
【請求項２】
前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数のバックフォイル片を有して構成され、
前記バックフォイル片には、それぞれ前記係合突片が形成されていることを特徴とする請求項１記載のラジアルフォイル軸受。
【請求項３】
前記バックフォイル片のうちの互いに隣り合う一対のバックフォイル片は、それぞれの前記係合突片が近接した状態に配置され、これら近接した一対の係合突片が、一つの前記係合切欠に係合していることを特徴とする請求項２記載のラジアルフォイル軸受。
【請求項４】
前記軸受ハウジングの内周面には、対向する一対の前記係合切欠間に、該係合切欠より深さが浅い係合溝が形成され、
前記バックフォイルには、前記係合突片間に該係合突片より高さが低い係合突条が設けられ、
前記係合突片が前記係合切欠に係合するとともに、前記係合突条が前記係合溝に係合していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のラジアルフォイル軸受。
【請求項１】
回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、
前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを内挿した状態に収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
前記軸受ハウジングの両側面には、それぞれ、該軸受ハウジングの内周縁から外周縁に向かって延びる係合切欠が形成され、
前記バックフォイルには、前記軸受ハウジングの周方向における一方の側の両側端部に、それぞれ前記係合切欠に係合する係合突片が設けられていることを特徴とするラジアルフォイル軸受。
【請求項２】
前記バックフォイルは、前記軸受ハウジングの周方向に沿って配置された複数のバックフォイル片を有して構成され、
前記バックフォイル片には、それぞれ前記係合突片が形成されていることを特徴とする請求項１記載のラジアルフォイル軸受。
【請求項３】
前記バックフォイル片のうちの互いに隣り合う一対のバックフォイル片は、それぞれの前記係合突片が近接した状態に配置され、これら近接した一対の係合突片が、一つの前記係合切欠に係合していることを特徴とする請求項２記載のラジアルフォイル軸受。
【請求項４】
前記軸受ハウジングの内周面には、対向する一対の前記係合切欠間に、該係合切欠より深さが浅い係合溝が形成され、
前記バックフォイルには、前記係合突片間に該係合突片より高さが低い係合突条が設けられ、
前記係合突片が前記係合切欠に係合するとともに、前記係合突条が前記係合溝に係合していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のラジアルフォイル軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８７７８９（Ｐ２０１３−８７７８９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２５９０５（Ｐ２０１１−２２５９０５）
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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