JPH0510529B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は軸シールを有する弾性フオイル軸受構
造に係り、特に一枚のフオイル素材の表・裏に加
工を施して軸受と軸シールとを一体化させて軸受
構造の簡素化をはかつたものに関する。

［従来の技術］ 従来、回転軸を支承する機能を有する動圧型流
体軸受と回転軸を非接触で密封する機能を有する
動圧型軸シールとはその機能・構造が異なるとこ
ろから別体構造であり、一体化したものは未だ存
在していない。まして先に本発明者が新規に発明
したフオイル軸受構造にあつてはなおさらであ
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来は軸受と軸シールとが別体であつたので、
回転軸の軸方向長さが長くなつて軽量化が阻害さ
れると共に回転軸の剛性の低下をもたらし、十分
な高速化・高性能化を得ることができなかつた。

［発明の目的］ 本発明は軸受と軸シールとを一体化して小型軽
量化をはかると共に回転軸の剛性を上げてより大
きな高速化・高性能化が達成できる軸シール付フ
オイル軸受構造を得ようとするものである。

［発明の概要］ 上記目的に沿う本発明の構成は、一枚の弾性フ
オイル素材の幅方向に軸受部と軸シール部とを隣
接して一体に設けるべく、長さ方向に軸受部及び
シール部の要素たるベアリングフオイル又はシー
ルフオイル部、ダンプフオイル部、スプリングフ
オイル部を順にそれぞれ並列且つ連続して設けて
軸シール付弾性フオイル体を形成し、この軸シー
ル付弾性フオイル体を回転軸とケースの支承面と
のすき間に上記順序で巻回し、３層に積層して構
成したものである。これにより、軸受部は流体膜
圧力を発生して軸荷重を支承する一方、軸シール
部は弾性的に変位して軸を密封できるようにし、
高温（低温）、高速で安定した軸機能、軸シール
機能を発揮し得るようにしたものである。

［実施例］ 本発明の実施例を第１図〜第４図に基づいて説
明すれば以下の通りである。

第２図イ，ニに示す如く、一枚の可撓性を有す
る弾性フオイル素材の幅方向は軸受部ａと軸シー
ル部ｂとに分かれている。長さ方向は、軸受部ａ
にあつてはロ矢視断面図である同図ロに示す如く
右から順にベアリングフオイル部Ba、ダンプフ
オイル部Da、スプリングフオイル部Saが又軸シ
ール部ｂにあつてはハ矢視断面図である同図ハに
示す如く、シールフオイル部Lb、ダンプフオイ
ル部Db、スプリングフオイル部Sbが連続形成し
てある。すなわち、一枚のフオイル素材からこれ
の表面および裏面に加工を施して軸受部ａと軸シ
ール部ｂとを並列に一体成形した弾性フオイル体
１を得ている。この弾性フオイル体１の各部の長
さは後述のケース支承面を一周する円筒の周長に
相当し、幅長さは軸支承と軸シールをするに必要
な長さとしている。又、軸受部ａと軸シール部ｂ
とに分けた幅方向の中間部に、長さ方向に適宜の
間隔を開けて複数の通気孔２，２…を穿設し、軸
受部ａの両端圧力（幅方向圧力）を均等化させ
る。

幅方向に分けたうちの軸受部ａのベアリングフ
オイル部Baは第２図イで示す外表面と同様に同
図ニで示す如く内表面がフラツトなプレーン型が
例示してあり、このフラツトな内表面には適宜な
耐摩耗処理を施してある。なお、ベアリングフオ
イル部Baの形式は図示例のものに限らず、スパ
イラルグルーブ、ヘリングボーン、ステツプ型、
ポケツト型等任意である。また、ベアリングフオ
イル部Baは、図示する如く、幅方向中央で長さ
方向に適宜の間隔を隔てて高速安定化させるため
の複数の圧力解放路３を有している。この圧力解
放路３は、外表面側に穿設した大径なポケツト４
と内表面側に穿設した小径なオリフイス５とから
成り、内表面側圧力をオリフイス５からポケツト
４に導き外表面側に大きな力で解放する。

ベアリングフオイル部Baに連続するダンプフ
オイル部Daとスプリングフオイル部Saとはその
外表面に幅方向全長を横切り且つ長さ方向に適宜
の間隔を隔てて（上記解放路３よりも更に短いピ
ツチで）形成したバネ要素となる線状の支持突起
６，６…を複数本有している。ダンプフオイル部
Daとスプリングフオイル部Saとの境界は支持突
起６のピツチｂの1.5倍としてある。スプリング
フオイル部Saの外表面端部は係止固定用のキー
７を有している。かくして、スプリングフオイル
部Saとダンプフオイル部Daとはキー７を除けば
全く同一形状をしている。

一方、幅方向に分けたうちの軸シール部ｂのシ
ールフオイル部Lbは、ベアリングフオイル部Ba
と同様に内表面がフラツトなプレーン型を例示し
てあり、実質的なシール面を軸シール部ｂの幅方
向全長より狭くするため両端を削つて断面凸形状
をしている。この凸形状のシール凸面には適宜な
耐摩耗処理を施してある。

シールフオイル部Lbに連続するダンプフオイ
ル部Dbとスプリングフオイル部Sbとはその外表
面に梯子状の突起を有している。すなわち、所定
深さの矩形状凹部８，８…を長さ方向に適宜の間
隔を隔てて複数個形成することにより、シール性
を確保するための幅方向両端の残部９，１０と矩
形状凹部８，８間に残つた線状の支持突起１１と
から成る梯子状の突起を形成している。この梯子
状の突起のうちの線状支持突起１１のピツチは軸
受部ａの支持突起６と同様にバネ要素となるが、
軸受部ａの支持突起６のピツチよりも大きくとつ
て、バネ性を相対的に低く設定している。図示例
では軸受部ａの２倍に設定してある。なお、軸シ
ール部ｂのスプリングフオイルSbの外表面端部
は軸受部ａの場合と異なり、シール性を保持する
ためにこれを阻害するキーは有さない。上述した
フオイル面の加工はフオトエツチング等の公知の
技術によつて一工程で行なうことができる。

第３図、第４図に示す如く、上述した一枚のフ
オイル素材から成形した弾性フオイル体１をベア
リングフオイル部Ba、シールフオイル部Lb、ダ
ンプフオイル部Da，Db、スプリングフオイル部
Sa，Sbの順で巻回し、回転軸１２とケース支承
面１３との間に積層する。すなわち、弾性フオイ
ル体１を三重巻きの円筒に形成して、軸受部ａに
あつては第３図に示す如く、径方向外方に向かつ
てベアリングフオイル部Ba、ダンプフオイル部
Da、スプリングフオイル部Saを順に重ね、ベア
リングフオイル部Baをダンプフオイル部Daに密
接するとともに、圧力解放路３がダンプフオイル
部Daの支持突起６，６間に来るように、また、
ダンプフオイル部Daの支持突起６がスプリング
フオイル部Saの支持突起６，６間に来るように
各部の相互位置を調整する。この調整により軸シ
ール部ｂは第４図に示す如く自動的にダンプフオ
イル部Dbの支持突起１１がスプリングフオイル
部Sbの支持突起１１，１１間に来るように積層
されることになる。

そして、第１図に示す如く、ケース支承面１３
の軸方向に軸受部ａの幅長さだけキー溝１５を設
け、このキー溝１５に軸受部端部の係止固定用キ
ー７を挿入し、取付板１６で押えて、弾性フオイ
ル体１の軸廻り方向と軸方向との移動を規制する
ことによつて軸シール付フオイル軸受構造を構成
する。

このように本実施例の軸シール付フオイル軸受
構造は、軸受部ａおよび軸シール部ｂを３重層か
らなるフオイル構造とし、各層間にバネ要素、ダ
ンピング要素、軸受要素、シール要素をケース支
承面１３の周方向に配置してなる。

さて、上記のような構成による本実施例の作用
を説明する。

本実施例の軸受ならびに軸シールの作動原理
は、作動流体（気体または液体）の粘性が支配的
な流体潤滑に基づく機能により軸受部ａが軸受す
き間を生成させて回転軸１２を支持する一方、軸
シール部ｂが軸シールすき間を生成させて回転軸
１２との接触を回避しつつシールする非接触型の
軸受・軸シールである。

すなわち、回転軸１２を支持する弾性フオイル
体１の軸受部ａは軸荷重の大きさに対応して軸が
偏心すると、回転軸１２とベアリングフオイル部
Baとの間を軸受すき間Gaにくさび膜を発生して
流体膜圧を形成し、この流体膜圧が軸荷重を支持
するのである。ところで、回転軸１２が高速回転
すると軸受すき間Gaの流体膜圧が昇圧する。

この昇圧流体膜圧の一部は圧力解放路３からこ
れに密接しているダンプフオイル部Daの内表面
に導かれて解放する。この圧力解放は小径なオリ
フイス５から大径なポケツト４を経由して行なわ
れるため、ダンプフオイル部Da内表面に径方向
外方へ大きな力が作用し、その内表面を局部変形
させて変形局部に流体溜りを形成する。したがつ
て、ダンプフオイル部Daにスクイズ膜ダンパ作
用が生じて軸振動を制振させる。一方、解放され
なかつた昇圧流体膜圧はベアリングフオイル部
Baを介してダンプフオイル部Daの全周に作用す
るので、その外表面に設けた支持突起６がスプリ
ングフオイル部Saの支持突起６，６間の内表面
を径方向外方へ押し出す。このためスプリングフ
オイル部Saは周方向に波状変形してバネ機能を
発揮する。したがつて、ダンプフオイル部Daは
ケース支承面１３上に弾性支持されることにな
り、軸の遠心変形、熱変形を許容する。このよう
にして流体膜圧自信によるダンピング要素、バネ
要素に加えて、フオイル積層構造の軸受部ａによ
るダンピング機能、バネ機能が発揮されるので、
高速・高温（低温）においても回転軸１２を安定
に支持することができる。

また、回転軸１２をシールする弾性フオイル体
１の軸シール部ｂは回転軸２の偏心に対応してシ
ール部自信がくさび膜を形成しつつ弾性的に変位
して軸シール部ｂへの接触を回避しつつ回転軸１
２をシールする。すなわち、支持突起６，６間の
凹部が幅方向に解放している軸受部ａの場合と異
なり、軸シール部ｂの矩形状凹部８は両端の残部
９，１０により幅方向が閉塞しているため、ダン
プフオイル部Dbとスプリングフオイル部Saとの
夫々の矩形状凹部８に、もともと流体溜りが存在
する。それ故、回転軸１２とシールフオイル部
Lbとの間のシールすき間のGbに昇圧流体膜圧が
発生してシールフオイル部Lbを径方向外方へ押
圧すると、スプリングフオイル部Sbの波状変形
が起きてバネ機能を発揮するとともに、矩形状凹
部８，８内の流体が圧搾されてスクイズ膜ダンパ
作用が生じる。しかも、軸シール部ｂのバネ要素
となる支持突起１１のピツチが軸受部ａのそれよ
りも大きくとつてバネ性を相対的に低く設定して
あるので、軸振動や軸膨張が生じても回転軸１２
と接触することなく、きわめて小さなシールすき
間を安定に保持することができる。図示例の軸シ
ール部ｂは単なる円筒面のシールのクリアランス
シールであり、この場合、シール性能と等価なも
れ量は差圧に比例し、シールすき間の３乗に反比
例する特性があることから、きわめて小さなシー
ルすき間を保持できることは、シール性能が格段
に向上することを意味する。このようにしてフオ
イル積層構造の軸シール部ｂによるダンピング機
能、バネ機能が流体膜圧による機能に加えて発揮
されるので、高速・高温（低温）においても接触
や抱き付きのない安定したシール性能を得ること
ができる。

このように、本実施例によれば上述した軸受部
ａと軸シール部ｂとヲ一片のフオイル素材から形
成し、しかも素材表面の加工はフオトエツチング
等公知の技術によつて一工程で行なうことができ
るので、量産性があり、非常に低コストで製作す
ることができる。そして、組立てに際しても３重
巻きにして回転軸１２とケース支承面１３との間
に挿入すれば、弾性フオイル体１自身が有するバ
ネ性により拡開してスプリングフオイル部Sa，
Sbがケース支承面１３にぴつたり当接し、これ
に伴ない他のフオイル部も自動的に周方向の位置
調整がなされるので、積層フオイル同士の位置調
整を個別的に行なう必要がなくなり、組立作業が
極めて容易になる。

また、組立てられた軸受構造はフオイル構造で
あるため小型軽量であると共に高速・高温（低
温）おいても安定した軸受機能、軸シール機能を
発揮できる。したがつて、特に高温または低温の
気体をプロセス流体とするターボ圧縮機、ターボ
膨張機、ターボチヤージヤ、ターボ冷凍機等の高
速回転するターボ機械に適用して高効率化を得る
ことができる。

なお、フオイル構造であることにより異物の侵
入に強いという副次的効果もある。

第５図及び第６図は軸シール部ｂの形式が単な
る円筒面のプレーン型である第１図の実施例の変
形例を示すもので、シール面に複数個のグルーブ
加工を施してある。すなわち第５図のものとはシ
ールフオイル部Lbのシール凸面にその長さ方向
にスパイラルグルーブ１８を等間隔で複数個刻設
してあり、第６図のものはシールフオイル部Lb
ではなくシール部の回転軸１２にスパイラルグル
ーブ１８を刻設してあつて、スパイラルグルーブ
１８によるポンピング作用によりシール効果を高
める構造になつている。スパイラルグルーブ１８
の方向は、高圧側と低圧側および回転方向を定め
て設計することが望ましく、図示例ではP₁＞P₂
とし矢印の如く回転軸１２が回転する場合を示し
ている。

これによれば、回転軸１２が回転するとシール
部を挟んで流体は差圧によりP₁→P₂へ流れよう
とするがスパイルグルーブ１８のポンピング作用
により低圧のP₂側の流体を高圧のP₁側へ移送す
る機能が発揮され、シール性能の積極的な向上を
図ることができる。特に、ポンピング作用は高速
になる程大きくなるので、高速時のシール効果は
著大である。

なお、P₂＞P₁の場合には、図示していないが、
スパイラルグルーブ１８を第５図、第６図とは逆
向きに設けるとともにランド部１９を反対側端部
に設ければよい。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば次のような優れた
効果を発揮する。

(1) 軸受部と軸シール部とが一枚の弾性フオイル
に一体化して形成されているので、固定側の小
型軽量化をはかることができると共に、回転軸
の軸方向長さを短縮 できて回転側の重量の軽減化と剛性の向上をも
はかることができる。したがつて回転機械の高
速化、高性能化を著しく高めることができる。

(2) 軸受部および軸シール部をフオイル構造とし
たことにより、回転軸の遠心膨張、熱膨張に充
分対応できて、すき間を小さく設計しても従来
問題となついた接触や抱き付きを発生すること
なく、高温（低温）高速で安定かつ安全に機能
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る軸シール付フオイル軸受
構造の好適一実施例を示す一部展開状態を含む側
断面図、第２図は第１図の主要部となる弾性フオ
イル体の周方向の展開図、第３図は第１図の矢
視断面図であつて軸受部の正断面図、第４図は第
１図の矢視断面図であつて軸シール部の正断面
図、第５図及び第６図は本発明の変形例を示す一
部展開状態を含む側断面図である。 図中、１は弾性フオイル体、３は圧力解放路、
１２は回転軸、１３はケース支承面、ａは軸受
部、ｂは軸シール部、Baはベアリングフオイル
部、Daはダンプフオイル部、Saはスプリングフ
オイル部、Lbはシールフオイル部、Dbはダンプ
フオイル部、Sbはスプリングフオイル部である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体膜圧を形成すると共に流体膜圧を解放す
   る圧力解放路を有するベアリングフオイル部、圧
   力解放路から解放される流体膜圧を受圧して制振
   するダンプフオイル部、ダンプフオイル部を弾性
   支持するスプリングフオイル部を順に連続形成し
   た弾性フオイル軸受部と、流体膜圧を形成するシ
   ールフオイル部、シールフオイル部を制振するダ
   ンプフオイル部、ダンプフオイル部を弾性支持す
   るスプリングフオイル部を順に連続形成した弾性
   フオイル軸シール部とを並列に一体成形してなる
   弾性フオイル体を、回転軸とケース支承面との間
   に上記連続形成の順で巻回して積層したことを特
   徴とする軸シール付フオイル軸受構造。