JP2018519483A - エアフォイルベアリング - Google Patents

Abstract

本発明は、エアフォイルベアリングに関し、本発明によると、単一バンプの幅を可変することでバンプの剛性を調節することができ、初期バンプの高さが全て同一であって、油膜による荷重を受ける時にのみ楔効果が実現されるため、ベアリングの高さの管理において有利な点がある。また、ロータの回転軸方向に加えられる衝撃を安定してダンピングし、支持力を向上させ、且つダンピングによる衝撃を最小化することができ、エアフォイルベアリングの耐久性が向上する効果がある。【選択図】図２

Description

本発明は、エアフォイルベアリングに係り、より詳しくは、ダンピング効率が向上したエアフォイルベアリングに関する。

ベアリングは、回転軸を一定の位置に固定させ、軸の自重と軸にかかる荷重を支持し、且つ軸を回転可能に支持する機械要素である。ボールベアリングやジャーナルベアリングは油膜を用いて軸を支持する方式であり、フォイルベアリングは、トップフォイルと軸との間に高圧の空気層を形成して軸を支持する方式のベアリングである。
エアフォイルベアリングは、ロータが高速回転する時に、ロータまたはベアリングディスクと接するフォイルの間に粘性を有する流体である空気が流入されて圧力を形成することで、軸の荷重を支持する。
エアフォイルベアリングは高速で回転する回転軸を支持する効果があるため、ターボ圧縮機やターボクーラ、ターボ発電機、空気圧縮機などの回転機器内で高速で回転する回転軸に適用可能である。

かかるエアフォイルベアリングの一例が、特許文献１に開示されている。
通常、エアフォイルベアリングは、一対の円板状のプレートの間にバンプフォイル及びトップフォイルが配置される構造を有する。エアフォイルベアリングの荷重支持能力は、ベアリングの内部に形成される空気の全体圧力によって決定されるため、全体圧力を高める必要がある。しかしながら、従来のエアフォイルベアリングは、空気の圧力を高めることができる構造でないため、荷重支持力を向上させることが困難であるという問題がある。

韓国特許登録第１３９６８８９号

本発明の目的は、ダンピング効率が向上したエアフォイルベアリングを提供することにある。

上記の目的を達成するためになされた、本発明のエアフォイルベアリングは、回転軸を回転可能に支持するエアフォイルベアリングであって、エアフォイルベアリングは、円板状のプレートと、プレート上に結合される複数のバンプフォイルと、バンプフォイルの上部に配置され、一端がプレートに結合されて他端が自由端であるトップフォイルと、を含むことを特徴とする。

バンプフォイルは、互いに離隔した複数の列に配置された複数の単一バンプを含み、単一バンプの剛性は、プレートの内径側から外径側に向かって次第に大きくなるか等しいことが好ましい。
単一バンプの各列の幅が、プレートの外径側に向かって次第に大きくなるか、単一バンプの幅が、プレートの内径側の複数個に比べて外径側の複数個が大きいように形成されることがよい。
単一バンプのバンプ山の長さは、プレートの内径側から外径側に向かって大きくなることができる。

プレートの内径及び外径側に配置された単一バンプの弧の長さが、内側に配置された単一バンプの弧の長さに比べて長く形成されることがよい。
バンプフォイルは、プレートの半径方向に傾斜して配置される第１〜第５単一バンプを含み、第１〜第５単一バンプは第１〜第４列を成して互いに離隔しており、単一バンプの剛性は、プレートの内径側から外径側に向かって次第に大きくなるか等しいことが好ましい。
単一バンプの第１〜第４列の幅が、プレートの外径側に向かって次第に大きくなることができる。

単一バンプの第３及び第４列の幅が、プレートの第１及び第２列の幅に比べて大きく形成されるこが好ましい。
単一バンプのバンプ山の長さが、プレートの内径側から外径側に向かって大きくなることがよい。
単一バンプの第１及び第４列の弧の長さが、第２及び第３列の弧の長さに比べて長く形成されることができる。

本発明は、回転軸を回転可能に支持するエアフォイルベアリングであって、円板状のプレートと、プレート上に結合される複数のバンプフォイルと、バンプフォイルの上部に配置され、一端がプレートに結合されて他端が自由端であるトップフォイルと、を含み、バンプフォイルは、第１フォイルと、第１フォイルの内側に配置される第２フォイルと、を含むことを特徴とする。

第１フォイルと第２フォイルはスリットを挟んで互いに離隔していることがよい。
第１フォイルは、第２フォイルに比べて大きい剛性を有することが好ましい。
第１フォイルと第２フォイルは、互いに異なる材質からなることができる。
第１フォイルと第２フォイルは、同一の材質からなることができる。

第１フォイルの厚さが、第２フォイルの厚さに比べて厚いことがよい。
第１フォイルのバンプ幅が、第２フォイルのバンプ幅に比べて小さいことが好ましい。
第２フォイルの内側には幅を二等分するスリットが形成されており、第１フォイルと第２フォイルとの間のスリットの幅が、第２フォイルのスリットの幅に対応することができる。
第２フォイルの内側には幅を二等分するスリットが形成されており、第１フォイルと第２フォイルとの間のスリットの幅が、第２フォイルのスリットの幅に比べて大きいことがよい。

第１フォイル及び第２フォイルは複数個が備えられ、第１フォイル及び第２フォイルは、互いに異なる幅及び形状を有する第２スリットを挟んで配置されることが好ましい。
第１フォイルと第２フォイルとの間の第１スリットは、一端部から他端部まで同一の幅に形成されることができる。
第２フォイルの間の第２スリットは、ロータの回転方向側の端部で第１フォイルと第２フォイルとを連結するトレーリングエッジ側からトレーリングエッジの反対側に向かってその幅が大きくなる形状を有することができる。

第２フォイルの間の第２スリットは、トレーリングエッジの反対側に向かってその幅が段差状に大きくなることができる。
第２フォイルは、トレーリングエッジの反対側の端部の幅が、トレーリングエッジ側の端部の幅に比べて小さいことがよい。
第２フォイルは、互いに向かい合う一側に階段状に折り曲げられた少なくとも１つの段差部と、ロータの回転方向に沿って延びて段差部を連結する連結部と、を含むことが好ましい。

第１フォイルは、トレーリングエッジの反対側の端部がスポット溶接（ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ）されることがよい。
第１フォイルのバンプの高さが、第２フォイルのバンプの高さに比べて小さいことが好ましい。
スリットのトレーリングエッジ側の端部からトレーリングエッジまでの距離が、バンプピッチの２倍値より小さいか等しいことができる。

本発明は、回転軸を回転可能に支持するエアフォイルベアリングであって、円板状のプレートと、プレート上に結合される複数のバンプフォイルと、バンプフォイルの上部に配置され、一端がプレートに結合されて他端が自由端であるトップフォイルと、を含み、バンプフォイルは、ロータの回転方向の反対方向に向かって延びて形成された第１フォイル〜第４フォイルを含むことを提供する。

第１フォイル〜第４フォイルは、ロータの回転方向に対応する端部が１つに連結されていることがよい。
それぞれの第１フォイル〜第４フォイルのロータの回転方向の反対方向側の端部に隣接して備えられた一番目のバンプ山の高さと、隣合う他のバンプ山の高さが異なることがよい。
第１フォイル〜第４フォイルの一番目のバンプ山の高さが、隣合う他のバンプ山の高さに比べて低いことが好ましい。

第１フォイル〜第４フォイルの一番目のバンプ山の高さが、隣合う他のバンプ山の高さの７０％以内であることがよい。
トップフォイルは、プレートとの離隔間隔が次第に大きくなる傾斜区間と、プレートとの離隔間隔が均一な平面区間と、を有することがよい。
第１フォイル〜第４フォイルの一番目のバンプ山は、トップフォイルの平面区間が始まる位置に対応することができる。
第１フォイル及び第４フォイルの一番目のバンプ山に隣接した端部は、プレートにスポット溶接（ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ）されることが好ましい。

本発明の一実施形態によるエアフォイルベアリングは、単一バンプの幅を可変することでバンプの剛性を調節することができ、初期バンプの高さが全て同一であって、油膜による荷重を受ける時にのみ楔効果が実現されるため、ベアリングの高さの管理において有利な点がある。
また、ロータの回転軸の方向に加えられる衝撃を安定してダンピングし、支持力を向上させ、且つダンピングによる衝撃を最小化することができ、エアフォイルベアリングの耐久性が向上する効果がある。

本発明のエアフォイルベアリングが設けられた空気圧縮機例を示した断面図である。 本発明の第１実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図である。 図２におけるバンプフォイルを示した模式図である。 本発明の第２実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図である。 本発明の第３実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図である。 一実施形態によるエアフォイルベアリングの溶接部位を示した平面図である。 他の実施形態によるエアフォイルベアリングの溶接部位を示した平面図である。 図６のエアフォイルベアリングによる圧力分布を示したグラフである。 本発明の第４実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図である。 本発明の第５実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図及び側面図である。 本発明の第６実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図である。

以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態によるエアフォイルベアリングについて詳しく説明する。
図１は本発明のエアフォイルベアリングが設けられた空気圧縮機の例を示した断面図である。
図１に示したとおり、本発明の一実施形態によるエアフォイルベアリングは、高速で回転する回転軸が備えられた機械装置に設けられる。本明細書では、便宜上、空気圧縮機１０に装着されたブロアーモータ６００の回転軸６５０を支持するためにエアフォイルベアリング７００が設けられたことを例として説明する（しかし、このような説明は１つの実施形態に過ぎず、回転する軸を有する機械装置であれば何れに適用されてもよい）。

車両用空気圧縮機１０は、外観を形成するハウジング１００と、ハウジング１００の前方に結合されて空気を圧縮するインペラ４００と、インペラ４００を収容するインペラ収容部２００及びインペラハウジング３００と、ハウジング１００の後方に結合されるリアカバー５００と、ハウジング１００の内部に設けられてインペラ４００を回転駆動させるブロアーモータ６００と、を含んで構成される。
インペラハウジング３００の前方中央には外部空気が流入される空気流入口３１０が形成され、前方両側には空気吐出口３３０が形成される。インペラ４００はインペラハウジング３００の内部に設けられており、インペラ４００を貫通する中空に後述のブロアーモータ６００の回転軸６５０が結合される。すなわち、インペラ４００は回転軸６５０によって支持される。インペラ４００によって空気流入口３１０を介して吸入された空気は、インペラ４００によって圧縮されて空気吐出口３３０を介して排出される。

ブロアーモータ６００は、ハウジング１００の内側に挿入されたモータハウジング６００ａに挿入される。ブロアーモータ６００は、モータハウジング６００ａの内周面に隣接して設けられ、中空（図示しない）を有するステータ６３０と、ステータ６３０の中空を貫通して設けられる回転軸６５０と、回転軸６５０の外周面に結合されるロータ６１０と、で構成される。
回転軸６５０は、一端がインペラ４００の中空に結合された状態で、インペラ４００の後方に設けられるスラストベアリング（ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇ）７００及びジャーナルベアリング７５０によってハウジング１００の内側に回転可能に支持されており、後方端部も後方ベアリング８００によって回転可能に支持される。

以下では、本発明の様々な実施形態によるエアフォイルベアリングについて詳細に説明する（但し、各実施形態の図面符号は各図面に示された構成のみを指称し、各実施形態毎に同一の構成については、重複説明を省略する）。
図２は本発明の第１実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図であり、図３は図２におけるバンプフォイルを示した模式図である。
回転軸６５０の前方側には円板状のロータディスク（図示しない）が形成されており、ロータディスクの前方側の一面及び後方側の他面に隣接してスラストベアリング７００が挿入される（図１参照）。

図２及び図３に示したとおり、本発明の第１実施形態によるスラストベアリング７００はエアフォイル（ａｉｒ ｆｏｉｌ）ベアリングであって、円板状のプレート７０２に複数の扇形状のバンプフォイル７０６を載置させ、さらにトップフォイル７０４で覆った形態である。スラストベアリング７００の中央には、回転軸６５０が挿入される円形の孔が形成される。回転軸６５０がスラストベアリング７００の孔に挿入された状態で、バンプフォイル７０６の一面はトップフォイル７０４がロータディスクの一面と隣接し、他面はプレート７０２に載置される。
トップフォイル７０４は、一端がプレート７０２に固定され、他端がプレート７０２と離隔して変形される自由端に形成される。バンプフォイル７０６は扇形の板状に形成され、トップフォイル７０４の固定端と自由端との間でトップフォイル７０４と接触される。トップフォイル７０４とバンプフォイル７０６は溶接によってプレート７０２に付着される。
ロータ６１０の高速回転によって、ロータディスクとエアフォイルとの間に粘性を有する流体である空気が流入され、圧力を形成することで、回転時における荷重を支持する。

同一のピッチ（Ｐｉｔｃｈ）、高さ（Ｈｅｉｇｈｔ）、長さ（Ｌｅｎｇｔｈ）、厚さ（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を有するスラストベアリング７００において、荷重支持力は、空気の粘性だけでなく、バンプフォイル７０６の剛性にも影響される。
各単一バンプフォイル７０６が有する剛性は、平面上に投影されたバンプの面積によって決定されるが、バンプフォイル７０６の剛性は、プレート７０２の内径側から外径側の方向に向かって（１列から４列の方向に向かって）全て均一であるように構成するか、次第に大きくなるようにすることが好ましい。その理由は、４列の方向に行くに従って、回転時に荷重が集中されて摩耗が激しくなるため、４列の方向に向かって剛性が大きくなることが耐久性の点で有利である。

しかし、従来は、バンプフォイル７０６の各列の幅Ａ〜Ｄを全て均一に構成していたが、この場合、それぞれの単一バンプ（図３の１〜５番のそれぞれを意味する。ロータの回転方向を基準として順に１〜５番の番号を付与する）の剛性が全て異なることになる。特に、回転方向の外径側の剛性が内径側の剛性より低いため、均一な剛性分布において非常に不利となる。したがって、単一バンプの各列の幅Ａ〜Ｄを従来のように均一に構成すると、バンプフォイル７０６の剛性を均一に、または多くの荷重を受ける側に向かって次第に大きくなるように構成することができない。
したがって、これを解決するために、単一バンプ１〜５の対角線の長さ（単一バンプの側面視において、凸状にバンプ山を成す部分）Ｌを調節すべきであり、対角線の長さＬは、単一バンプ１〜５の各列の幅Ａ〜Ｄを調節することで変更することができる（この際、単一バンプのバンプ山の高さは何れも同一に設計する）。

単一バンプ１〜５の各列の幅Ａ〜Ｄのうち１列の幅をＡ、２列の幅をＢ、３列の幅をＣ、４列の幅をＤとしたときに、ＡとＢは同一に構成し、ＣはＡ及びＢより大きく、ＤはＣより大きく構成することができる（Ａ＝Ｂ＜Ｃ＜Ｄ）。
上記のように単一バンプの幅を構成すると、バンプ山Ｌの長さが１列から４列に向かって大きくなり、単一バンプの面積も大きくなるため、荷重支持力が大きくなる。
このような構成とともに、単一バンプ１〜５の長さ（ロータの回転方向による１列〜４列の弧の長さ）を調節することで、油膜を形成する空気の損失（ｌｅａｋ）を防止する楔効果を実現することができる。
すなわち、単一バンプ１〜５の長さを、１列と４列の内側に２列と３列が凹入されるように構成することで、トップフォイル７０４とバンプフォイル７０６との間に空気を閉じ込めることのできるエアポケットＰの面積が大きくなる。したがって、楔効果（流体が貯蔵される空間が楔状に細くなると、流体の粘性によって流体が引っ張られ楔状の隙間に押し込まれながら動圧（圧力）が発生し、この圧力によって荷重が支持される効果）によって油膜の損失を防止することができる。また、エアポケットＰの面積が大きくなることでダンピング力が向上し、トップフォイル７０４の非接触面積が広くなるため、トップフォイル７０４に加えられる摩擦が減少される効果がある。

上記構成によると、初期のバンプフォイル７０６のバンプ山の高さが全て同一であるため、楔効果は油膜による荷重を受ける時にのみ実現され、スラストベアリング７００の高さの管理において有利な点がある。
また、単一バンプの形状が全て同一である場合、単一バンプの幅が大きくなると剛性も増加することになる。したがって、単一バンプの形状が同一である状態の条件で、単一バンプの幅を可変することで剛性を調節することができる。

図４は本発明の第２実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図であり、図５は本発明の第３実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図である。
図４に示したとおり、本発明の第２実施形態によるスラストベアリング７００はエアフォイル（ａｉｒ ｆｏｉｌ）ベアリングであって、円板状のプレート７０２に複数の扇形状のバンプフォイル７０６を載置させ、さらにトップフォイル７０４で覆った形態である。スラストベアリング７００の中央には、回転軸６５０が挿入される円形の孔が形成される。回転軸６５０がスラストベアリング７００の孔に挿入された状態で、バンプフォイル７０６の一面はトップフォイル７０４がスラストディスク６５２（図示しない）の一面と隣接し、他面はプレート７０２に載置される。
トップフォイル７０４は、一端がプレート７０２に固定され、他端がプレート７０２と離隔して変形される自由端に形成される。トップフォイル７０４の固定端は溶接によってプレート７０２に付着される。

バンプフォイル７０６は扇形の板状であって、トップフォイル７０４の固定端と自由端との間でトップフォイル７０４と接触される。バンプフォイル７０６は、扇形状の縁を形成する略「コ」字状のフォイルと、「コ」字状のフォイルの内側に備えられたフォイルと、の２つのフォイルで構成される。
より詳細に説明すると、バンプフォイル７０６は、扇形状の半径方向の縁を構成する連結フォイル７０６ａと、扇形状の外径側の縁を構成する第１フォイル７０６ｂと、扇形状の内径側の縁を構成する第２フォイル７０６ｃと、第１フォイル７０６ｂと第２フォイル７０６ｃとの間に各スリットＣ１〜Ｃ３を挟んで離隔して形成される第３フォイル７０６ｄ及び第４フォイル７０６ｅと、で構成される。また、第３フォイル７０６ｄ及び第４フォイル７０６ｅの自由端も、スリットＣ４を挟んで連結フォイル７０６ａと離隔して配置される。第３フォイル７０６ｄの端部は、角の一部が斜めに切開されており、第１フォイル７０６ｂと連結フォイル７０６ａとの間が、斜めに切開された部分に対応して同一に斜めに切開される。斜めに切開された部分は切開スリット７０４ａを挟んで互いに離隔している。第１〜第４フォイル７０６ｂ、７０６ｃ、７０６ｄ、７０６ｅは、一端がプレート７０２に溶接結合（溶接部位については後述する）され、他端は扇形の弧方向に沿って延びて形成される。

第１〜第４フォイル７０６ｂ、７０６ｃ、７０６ｄ、７０６ｅは第１フォイル７０６ｂから第４フォイル７０６ｅに向かってその長さが短くなる。第３フォイル７０６ｄ及び第４フォイル７０６ｅは、第１フォイル７０６ｂ及び第２フォイル７０６ｃに比べて回転時に発生する圧力をより少なく受ける側に配置されるため、第１フォイル７０６ｂ及び第２フォイル７０６ｃに比べて小さい剛性の材質からなることが好ましい。または、第１〜第４フォイル７０６ｂ、７０６ｃ、７０６ｄ、７０６ｅを同一の材質で構成しても、第３フォイル７０６ｄ及び第４フォイル７０６ｅを構成するバンプの幅を広く構成し、変形量が第１フォイル７０６ｂ及び第２フォイル７０６ｃのバンプより大きくなるようにすることで、第１フォイル７０６ｂ及び第２フォイル７０６ｃより剛性を低めることができる。
第１フォイル７０６ｂ及び第２フォイル７０６ｃに比べて第３フォイル７０６ｄ及び第４フォイル７０６ｅが低い剛性を有すると、第３フォイル７０６ｄ及び第４フォイル７０６ｅの部分の変形量が大きいため、多くの空気を閉じ込めることができることとなり、荷重支持力が向上する効果がある。

一方、上記のスリットは第１スリットＣ１、第２スリットＣ２、第３スリットＣ３、第４スリットＣ４で構成されるが、第１〜第３スリットＣ１〜Ｃ３は、第１〜第４フォイル７０６ｂ、７０６ｃ、７０６ｄ、７０６ｅが互いに接触されないように、最小の間隔を維持する役割をする。
第４スリットＣ４は、バンプフォイル７０６の変形時に第３及び第４フォイル７０６ｄ、７０６ｅのバンプ山が加圧されて第３及び第４フォイル７０６ｄ、７０６ｅが引張されても、連結フォイル７０６ａに接触されない程度の間隔を有することが好ましい。また、ロータが回転されながら流体が流入される方向は、軸方向とロータの回転方向にそれぞれ流入されるが、この際、第４スリットＣ４と第１〜第３スリットＣ１〜Ｃ３に流入された流体が同時にまたはランダムに流入される場合、流体の安定した移動を提供する空間を形成することができるため、安定したダンピング能力を向上させることができる。
第１〜第３スリットＣ１〜Ｃ３は全てプレート７０２の円周方向に形成され、第４スリットＣ４は半径方向に向かって形成されるため、流体の流入及び流出による振動ダンピングを安定して行うことができる。

図５に示したとおり、本発明の第３実施形態によるスラストベアリング７００’は、上記の第２実施形態と同様に構成されるが、第１〜第３スリットＣ１〜Ｃ３の間隔が異なって設定されることができる。
すなわち、第１〜第３スリットＣ１〜Ｃ３の間隔が第４スリットＣ４と同一に設計されることができる。
この際、第３フォイル７０６ｄ´及び第４フォイル７０６ｅ´の幅が、第１フォイル７０６ｂ´及び第２フォイル７０６ｃ´の幅に比べて相対的に小さい幅に形成される。これは、第３フォイル７０６ｄ´及び第４フォイル７０６ｅ´が第１フォイル７０６ｂ´及び第２フォイル７０６ｃ´とは異なるダンピングを行い、これによって、ロータに加えられる軸方向における応力を安定して支持、分散することで破損を防止するためである。

第１〜第３スリットＣ１〜Ｃ３の間隔が第４スリットＣ４と同一であるため、本発明の第３実施形態によるスラストベアリング７００´は上記の第２実施形態と異なるダンピング及び荷重支持力を有することになる。
これにより、ダンピング量が変わり、第２実施形態に比べて第３フォイル７０６ｄ´及び第４フォイル７０６ｅ´の変形量が大きくなるため、流体の流入及び移動による軸方向における応力の集中及び荷重を最小化することができる。
したがって、ロータに加えられる振動が最小化されるため、軸方向における振動ダンピングの効率が向上する。また、圧縮機またはエアブロアーに伝達される振動及び衝撃が最小化され、耐久性と振動ダンピング能力がともに向上して、長期間使用時にも安定して用いることができる。

上記の構成を有する本発明の一実施形態によるエアフォイルベアリングにおいて、溶接部位について詳細に説明する。
図６及び図７は、それぞれ他の実施形態によるエアフォイルベアリングの溶接部位を示した平面図である。
図６及び図７に示したとおり、バンプフォイル７０６、７０６´は、扇形状の縁を構成する略「コ」字状の第１フォイル７０６ａ、７０６ａ´と、第１フォイル７０６ａ、７０６ａ´の内側に配置され、第１フォイル７０６ａ、７０６ａ´とスリット７０６ｃ、７０６ｃ´を挟んで離隔して形成される第２フォイル７０６ｂ、７０６ｂ´と、で構成される。第１フォイル７０６ａ、７０６ａ´及び第２フォイル７０６ｂ、７０６ｂ´は、一端がプレート７０２に溶接結合され、他端は扇形の弧方向に沿って延びて形成されることができる（図６及び図７の構成は、図４及び図５の実施形態と図面符号のみが異なって、同一の構造を有するため、各構成についての詳細な説明を省略する）。
溶接部位（図４及び図５の７０６ｆ、７０６ｆ´に対応する部分）はロータの回転方向側に配置される。溶接部位は、幅が第１フォイル７０６ａ、７０６ａ´及び第２フォイル７０６ｂ、７０６ｂ´に比べて相対的に狭く形成され、固定された状態が維持される程度に設けられる。また、溶接部位にはバンプ山のような凹凸部位が形成されないため、流体の流入及び排出に応じて溶接部位がダンピングを行うことはなく、固定された状態を安定して維持させる。

一方、図８は図６のエアフォイルベアリングによる圧力分布を示したグラフである。
図８に示したとおり、バンプフォイル７０６の剛性が均一である場合における、プレート７０２の半径方向（図２の任意点において、プレートの中心側をｄ１、外径側をｄ２と定義する）によるバンプフォイル７０６の圧力をＰ１とする。Ｐ２は、本発明の実施形態による第１フォイル７０６ａ及び第２フォイル７０６ｂが備えられた場合における、プレート７０２の半径方向によるバンプフォイル７０６の圧力である。Ｐ１は、半径方向内側（ｄ１）と外側（ｄ２）との間に圧力が集中される現象が起こるのに対し、Ｐ２は、半径方向内側（ｄ１）と外側（ｄ２）との間に比較的均一に圧力が分布されることが分かる。
圧力が１つの部分に集中されると、該当部分のバンプフォイル７０６とトップフォイル７０４の接触が多くなり、トップフォイル７０４の摩耗が増加する恐れがある。また、半径方向内側（ｄ１）と外側（ｄ２）に近いバンプフォイル７０６の縁は、荷重支持力が低くて十分な圧力を受けていないという意味にもなる。

しかし、本発明の実施形態のように、第１フォイル７０６ａの剛性を第２フォイル７０６ｂの剛性よりも高く設定すると、荷重支持力が向上するため、半径方向内側（ｄ１）と外側（ｄ２）も十分な圧力を受けることができる。これにより、圧力分布Ｐ２において、圧力が１つの部分に集中されず、均一に分布される。
上記の構成を有する本発明の一実施形態によるエアフォイルベアリングは、バンプフォイルの形状及び剛性を変更することで、荷重支持力を向上させ、且つダンピング効果を増加させる効果がある。また、ダンピング力の向上により、ベアリングの耐久性が向上する効果がある。
上記の実施形態によるエアフォイルベアリングにおいて、バンプフォイルの形状及びスリットの形状を変更することで、バンプフォイルの変形時にバンプフォイルの端部が鋭く突出することを防止することができる。以下では、バンプフォイル及びスリットの形状を変更した実施形態について詳細に説明する。このような形状は、上記の実施形態に適用可能である（上記の実施形態と同一の構成については詳細な説明を省略する。便宜上、図９を基準として、扇形状の外側弧を外径側、内側弧を内径側の方向と定義する）。

図９は本発明の第４実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図である。
図９に示したとおり、エアフォイルベアリングのトップフォイル７０４´´とプレート７０２´´との間にはバンプフォイル７０６ａ´´、７０６ｂ´´が備えられる。
バンプフォイル７０６ａ´´、７０６ｂ´´は、ロータの回転方向（図５の矢印方向）を基準としてトップフォイルの外径及び内径側に配置された第１フォイル７０６ａ´´と、第１フォイル７０６ａ´´の間に配置された第２フォイル７０６ｂ´´と、で構成される（本実施形態では、第１フォイルが２つ、第２フォイルが２つで構成されたことを例として説明する）。トレーリングエッジＦは、ロータの回転方向側の端部で第１フォイル７０６ａ´´及び第２フォイル７０６ｂ´´を連結する部分である。
バンプフォイル７０６ａ´´、７０６ｂ´´は、上記の実施形態と同様に、スリット７０６ｃ´´、７０６ｄ´´の幅（間隔）及びバンプフォイル７０６ａ´´、７０６ｂ´´のバンプ幅Ｂ〜Ｂ´´を調節することで、第１フォイル７０６ａ´´及び第２フォイル７０６ｂ´´のそれぞれの剛性を調節することができる。本実施形態では、第２フォイル７０６ｂ´´のバンプ幅Ｂ〜Ｂ´´をより細かく調節して剛性を調節することができる。

より詳細に説明すると、バンプフォイル７０６ａ´´、７０６ｂ´´は複数のスリット７０６ｃ´´、７０６ｄ´´により区分され、第１フォイル７０６ａ´´と第２フォイル７０６ｂ´´との間の第１スリット７０６ｃ´´と、第２フォイル７０６ｂ´´の間の第２スリット７０６ｄ´´とは、その形状が異なる。
第１フォイル７０６ａ´´と第２フォイル７０６ｂ´´との間に位置する第１スリット７０６ｃ´´は、ロータの回転方向に沿って同一の幅を有するように形成される。すなわち、第１フォイル７０６ａ´´及び第２フォイル７０６ｂ´´の一側端部からトレーリングエッジＦ方向側の端部までの第１スリット７０６ｃ´´の幅が一定に形成される。また、第１フォイル７０６ａ´´と第２フォイル７０６ｂ´´との間の第１スリット７０６ｃ´´は、トレーリングエッジＦ側の端部が閉塞しており、反対側が開放された形態を有する。
しかし、２つの第２フォイル７０６ｂ´´の間に位置した第２スリット７０６ｄ´´は、一側端部からトレーリングエッジＦに向かう側の端部までの幅が異なる（第２スリットの間のスリットも、トレーリングエッジの反対側の端部が開放された形態である）。

第２フォイル７０６ｂ´´は、そのうち一つが他の一つに比べて、ロータの回転方向に対応する長さがより長いものと、短いものとで構成される。これらの間に位置した第２スリット７０６ｄ´´は、階段状に段差を有する形態であって、トレーリングエッジＦに向かって第２スリット７０６ｄ´´の幅が細くなる。すなわち、第２フォイル７０６ｂ´´のバンプ幅Ｂ〜Ｂ´´は、区間毎に異なって構成されることができる。
これにより、相対的に長さが長い第２フォイル７０６ｂ´´は、トレーリングエッジＦに隣接した一側端部に第１段差部７０６０が形成されており、第１段差部７０６０からトレーリングエッジＦの反対側方向に第１連結部７０６１が延びて形成される。第１連結部７０６１が所定長さに延びた後、さらに第２段差部７０６２が形成されて、第２段差部７０６２からトレーリングエッジＦの反対側の端部に向かって第２連結部７０６３が延びる。段差の方向が外径側方向に向かっているため、第１連結部７０６１のバンプ幅Ｂ´は第２連結部７０６３のバンプ幅Ｂより大きい。

相対的に長さが短い第２フォイル７０６ｂ´´は、長さの長い第２フォイル７０６ｂ´´と向かい合う一側において、第１段差部７０６０よりもトレーリングエッジＦから所定間隔離隔した部分に、第３段差部７０６５が備えられることができる。すなわち、トレーリングエッジＦに隣接した部分に第３連結部７０６４が備えられ、トレーリングエッジＦの反対側に第４連結部７０６６が備えられて、その間を第３段差部７０６５が連結する形態となることができる。この際、段差の方向が内径側方向に向かっているため、第３連結部７０６４のバンプ幅（図示しない）に比べて第４連結部７０６６のバンプ幅Ｂ´´がより狭い。
第２連結部７０６３のバンプ幅Ｂと第４連結部７０６６のバンプ幅Ｂ´´は、設計仕様に応じて、同一でも異なってもよい。
第１フォイル７０６ａ´´のトレーリングエッジＦの反対側の端部はそれぞれスポット溶接（ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ）され、第１フォイル７０６ａ´´の高さ（断面形状においてバンプフォイルのバンプピッチの最高点の高さ）は、第２フォイル７０６ｂ´´に比べて最大５０％まで低く構成することができる。これにより、中央部（Ｅ領域）の剛性が第１フォイル７０６ａ´´に比べて相対的に低くなることができる。より詳細には、溶接された第１フォイル７０６ａ´´は、溶接されていない第２フォイル７０６ｂ´´に比べて２倍の剛性を有することができる。

また、トレーリングエッジＦ部位の剛性が、中央部（Ｅ領域）に比べて高い剛性を有するように、スリット７０６ｃ´´、７０６ｄ´´の端部からトレーリングエッジＦまでの距離Ｄを規制することで、トレーリングエッジＦ部位の剛性を調節することができる。スリット７０６ｃ´´、７０６ｄ´´の端部からトレーリングエッジＦまでの距離Ｄは、バンプピッチＣの２倍値より小さいか等しいように設計（Ｄ≦２Ｃ）することが好ましい。
上記の第４実施形態のエアフォイルベアリングにおいて、荷重支持力及びダンピング効果を向上させるために、バンプ山の高さ及びバンプ幅を変更させることができる。図面を参照して詳細な構造を説明する（本実施形態のバンプフォイルは、第４実施形態と図面符号のみが異なって、同一の構造を有するため、バンプフォイルの詳細な説明は省略する）。

図１０は本発明の第５実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図及び側面図であり、図１１は本発明の第６実施形態によるエアフォイルベアリングを示した平面図である。
図１０に示したとおり、トップフォイル７０４は、一端が固定端であり、プレート７０２との間にバンプフォイル７０６が挿入されてトップフォイル７０４の自由端である他端がプレート７０２と離隔している構造である。したがって、トップフォイル７０４は、固定端側から自由端側の方向に向かってプレート７０２との間隔が次第に大きくなる傾斜区間Ｌ１が形成される。傾斜区間Ｌ１を経て所定位置になると、トップフォイル７０４とプレート７０２の間隔が均一な平面区間Ｌ２が形成される。
平面区間Ｌ２が形成される部分は、ロータの回転方向を基準としてバンプフォイル７０６の一番目の山（ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ）Ａの部分に該当する。すなわち、第１フォイル〜第４フォイル７０６ａ〜７０６ｄの一番目のバンプ山Ａの部分が、平面区間Ｌ２が始まる位置になる。

第１フォイル〜第４フォイル７０６ａ〜７０６ｄの一番目のバンプ山Ａの高さを、隣接したバンプ山（二番目以後）より低く設定することで、トップフォイル７０４と一番目のバンプ山Ａの最高点との間に間隙が形成されると、トップフォイル７０４の膜の剛性と二番目以後のバンプ山の剛性により、先ずトップフォイル７０４の形状に沿って薄い油膜が形成される。
ロータ６１０の回転数が増加したり、荷重負荷が増加すると、バンプフォイル７０６に加えられる荷重が益々大きくなって、油膜の圧力が上昇することになる。この際、スラストベアリング７００の変形が一定水準以上に増加すると、高さが低くなった一番目のバンプ山Ａがトップフォイル７０４に接触して変形されながら、荷重を支持することになる（活性化）。一番目のバンプ山Ａが活性化される時に均一に加圧されるように、一番目のバンプ山Ａをトップフォイル７０４の平面区間Ｌ２に位置させるのである。一番目のバンプ山Ａが荷重を支持することで、平面区間Ｌ２が増加してスラストベアリング７００はさらに高い荷重支持能力を有することになる。
そのために、一番目のバンプ山Ａの高さは、他のバンプ山の高さの最大３０％まで低く構成することが好ましい。すなわち、一番目のバンプ山Ａの高さが、他のバンプ山の高さの７０％以内の高さとなるように形成される。

一番目のバンプ山Ａの高さを決定するために、外部から空気圧縮機１０に上下または左右方向に持続的な振動または短時間の間歇的な振動を発生させると、ロータ６１０が外力によって振動しながら加振される。ロータ６１０は初期位置でスラストベアリング７００との設定空隙（初期位置での間隙）を有しているが、加振によって設定空隙が増減する。
すなわち、バンプフォイル７０６が加圧されて押された後、復元されることを繰り返すが、バンプフォイル７０６が最大に押される変位と最大に復元される変位を調べると、バンプフォイル７０６のバンプ山の略３０％水準に加圧及び復元されることが分かる（時間によるロータの変位測定）。
したがって、一番目のバンプ山Ａの高さを、他のバンプ山の高さの３０％以内に設定することで、スラストベアリング７００に一定以上の圧力が加えられる際に該当圧力による荷重を適切に支持することができる。

または、図１１のように、第２フォイル及び第３フォイルの長さを変更することもできる。
すなわち、第２フォイル７０６ｂ´及び第３フォイル７０６ｃ´の溶接されていない端部Ｅは、第１フォイル７０６ａ´及び第４フォイル７０６ｄ´の溶接された端部Ｂを連結する仮想の線と同一線上に配置される形態を有することができる。
上記の構成を有する本発明の一実施形態によるエアフォイルベアリングは、バンプフォイルの形状及び剛性を変更することで、荷重支持力を向上させ、ダンピング効果を増加させる効果がある。また、ダンピング力の向上により、ベアリングの耐久性が向上する効果がある。

以上で説明され、図面に示された本発明の一実施形態は、本発明の技術的思想を限定するものと解釈されてはならない。本発明の権利範囲は特許請求の範囲に記載の事項のみによって制限され、本発明の技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を様々な形態に改良及び変更することが可能である。したがって、このような改良及び変更が通常の知識を有する者において自明である限り、本発明の権利範囲に属するとすべきである。

本発明は、ダンピング効率が向上したエアフォイルベアリングに関する。

１０：空気圧縮機
１００：ハウジング
２００：インペラ収容部
３００：インペラハウジング
３１０：空気流入口
３３０：空気吐出口
４００：インペラ
５００：リアカバー
６００：ブロアーモータ
６００ａ：モータハウジング
６１０：ロータ
６３０：ステータ
６５０：回転軸
７００：エアフォイルベアリング、スラストベアリング
７００’：スラストベアリング
７０２、７０２´、７０２´´：（円板状の）プレート
７０４、７０４´、７０４´´：トップフォイル
７０４ａ、７０４ｂ：切開スリット
７０６、７０６´、７０６´´、：バンプフォイル
７０６ａ：連結フォイル、第１フォイル
７０６ａ´：第１フォイル
７０６ａ´´：第１フォイル、バンプフォイル
７０６ｂ、７０６ｂ´：第１フォイル、第２フォイル
７０６ｂ´´：第２フォイル、バンプフォイル
７０６ｃ：第２フォイル、スリット
７０６ｃ´：第２フォイル、第３フォイル、スリット
７０６ｃ´´：（第１）スリット
７０６ｄ：第３フォイル
７０６ｄ´：第３フォイル、第４フォイル
７０６ｄ´´：（第２）スリット
７０６ｅ、７０６ｅ´：第４フォイル
７０６ｆ、７０６ｆ´：溶接部位
７５０：ジャーナルベアリング
８００：後方ベアリング
７０６０：第１段差部
７０６１：第１連結部
７０６２：第２段差部
７０６３：第２連結部
７０６４：第３連結部
７０６５：第３段差部
７０６６：第４連結部
Ａ：（単一バンプの）第１列の幅，一番目のバンプ山（Ａ）の高さ
Ｂ：（単一バンプの）第２列の幅、一番目のバンプ山（Ａ）に隣接した端部、
（第２連結部の）バンプ幅、（バンプフォイルの）バンプ幅
Ｂ´：（バンプフォイルの）バンプ幅：
Ｂ´´：（第４連結部の）バンプ幅、（バンプフォイルの）バンプ幅
Ｃ：（単一バンプの）第３列の幅、パンプピッチ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４：スリット
Ｄ：（単一バンプの）第４列の幅
ｄ_１：半径方向内側
ｄ_２：半径方向外側
Ｅ：中央部（Ｅ領域）、（第２及び第３フォイルの溶接されていない）端部
Ｆ：トレーリングエッジ
Ｌ：単一バンプのバンプ山（Ｌ）の長さ，（単一バンプの）対角線の長さ
Ｌ１：傾斜区間
Ｌ２：平面区間
Ｐ：エアポケット
Ｐ_１：（バンプフォイルの）圧力
Ｐ_２：（バンプフォイルの）圧力，圧力分布

Claims (36)

1. 回転軸を回転可能に支持するエアフォイルベアリングであって、
   円板状のプレートと、
   前記プレート上に結合される複数のバンプフォイルと、
   前記バンプフォイルの上部に配置され、一端が前記プレートに結合されて他端が自由端であるトップフォイルと、を含むことを特徴とするエアフォイルベアリング。
2. 前記バンプフォイルは、互いに離隔した複数の列に配置された複数の単一バンプを含み、
   前記単一バンプの剛性は、前記プレートの内径側から外径側に向かって次第に大きくなるか等しいことを特徴とする請求項１に記載のエアフォイルベアリング。
3. 前記単一バンプの各列の幅が、前記プレートの外径側に向かって次第に大きくなるか、前記単一バンプの幅が、前記プレートの内径側の複数個に比べて外径側の複数個が大きいように形成されることを特徴とする請求項２に記載のエアフォイルベアリング。
4. 前記単一バンプのバンプ山の長さは、前記プレートの内径側から外径側に向かって大きくなることを特徴とする請求項１に記載のエアフォイルベアリング。
5. 前記プレートの内径及び外径側に配置された前記単一バンプの弧の長さが、内側に配置された前記単一バンプの弧の長さに比べて長く形成されることを特徴とする請求項２乃至４の何れか一項に記載のエアフォイルベアリング。
6. 前記バンプフォイルは、前記プレートの半径方向に傾斜して配置される第１〜第５単一バンプを含み、
   前記第１〜第５単一バンプは第１〜第４列を成して互いに離隔しており、前記単一バンプの剛性は、前記プレートの内径側から外径側に向かって次第に大きくなるか等しいことを特徴とする請求項１に記載のエアフォイルベアリング。
7. 前記単一バンプの前記第１〜第４列の幅が、前記プレートの外径側に向かって次第に大きくなることを特徴とする請求項６に記載のエアフォイルベアリング。
8. 前記単一バンプの前記第３及び第４列の幅が、前記プレートの前記第１及び第２列の幅に比べて大きく形成されることを特徴とする請求項６に記載のエアフォイルベアリング。
9. 前記単一バンプのバンプ山の長さが、前記プレートの内径側から外径側に向かって大きくなることを特徴とする請求項６に記載のエアフォイルベアリング。
10. 前記単一バンプの前記第１及び第４列の弧の長さが、前記第２及び第３列の弧の長さに比べて長く形成されることを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載のエアフォイルベアリング。
11. 回転軸を回転可能に支持するエアフォイルベアリングであって、
    円板状のプレートと、
    前記プレート上に結合される複数のバンプフォイルと、
    前記バンプフォイルの上部に配置され、一端が前記プレートに結合されて他端が自由端であるトップフォイルと、を含み、
    前記バンプフォイルは、第１フォイルと、前記第１フォイルの内側に配置される第２フォイルと、を含むことを特徴とするエアフォイルベアリング。
12. 前記第１フォイルと前記第２フォイルはスリットを挟んで互いに離隔していることを特徴とする請求項１１に記載のエアフォイルベアリング。
13. 前記第１フォイルは、前記第２フォイルに比べて大きい剛性を有することを特徴とする請求項１２に記載のエアフォイルベアリング。
14. 前記第１フォイルと前記第２フォイルは、互いに異なる材質からなることを特徴とする請求項１３に記載のエアフォイルベアリング。
15. 前記第１フォイルと前記第２フォイルは、同一の材質からなることを特徴とする請求項１３に記載のエアフォイルベアリング。
16. 前記第１フォイルの厚さが、前記第２フォイルの厚さに比べて厚いことを特徴とする請求項１５に記載のエアフォイルベアリング。
17. 前記第１フォイルのバンプ幅が、前記第２フォイルのバンプ幅に比べて小さいことを特徴とする請求項１５に記載のエアフォイルベアリング。
18. 前記第２フォイルの内側には幅を二等分するスリットが形成されており、前記第１フォイルと第２フォイルとの間の前記スリットの幅が、前記第２フォイルの前記スリットの幅に対応することを特徴とする請求項１２に記載のエアフォイルベアリング。
19. 前記第２フォイルの内側には幅を二等分するスリットが形成されており、前記第１フォイルと第２フォイルとの間の前記スリットの幅が、前記第２フォイルの前記スリットの幅に比べて大きいことを特徴とする請求項１２に記載のエアフォイルベアリング。
20. 前記第１フォイル及び第２フォイルは複数個が備えられ、前記第１フォイル及び第２フォイルは、互いに異なる幅及び形状を有する第２スリットを挟んで配置されることを特徴とする請求項１１に記載のエアフォイルベアリング。
21. 前記第１フォイルと第２フォイルとの間の第１スリットは、一端部から他端部まで同一の幅に形成されることを特徴とする請求項２０に記載のエアフォイルベアリング。
22. 前記第２フォイルの間の第２スリットは、ロータの回転方向側の端部で前記第１フォイルと第２フォイルとを連結するトレーリングエッジ側から前記トレーリングエッジの反対側に向かってその幅が大きくなる形状を有することを特徴とする請求項２１に記載のエアフォイルベアリング。
23. 前記第２フォイルの間の第２スリットは、前記トレーリングエッジの反対側に向かってその幅が段差状に大きくなることを特徴とする請求項２２に記載のエアフォイルベアリング。
24. 前記第２フォイルは、前記トレーリングエッジの反対側の端部の幅が、前記トレーリングエッジ側の端部の幅に比べて小さいことを特徴とする請求項２３に記載のエアフォイルベアリング。
25. 前記第２フォイルは、互いに向かい合う一側に階段状に折り曲げられた少なくとも１つの段差部と、前記ロータの回転方向に沿って延びて前記段差部を連結する連結部と、を含むことを特徴とする請求項２４に記載のエアフォイルベアリング。
26. 前記第１フォイルは、前記トレーリングエッジの反対側の端部がスポット溶接（ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ）されることを特徴とする請求項２５に記載のエアフォイルベアリング。
27. 前記第１フォイルのバンプの高さが、前記第２フォイルのバンプの高さに比べて小さいことを特徴とする請求項２６に記載のエアフォイルベアリング。
28. 前記スリットの前記トレーリングエッジ側の端部から前記トレーリングエッジまでの距離が、バンプピッチの２倍値より小さいか等しいことを特徴とする請求項２７に記載のエアフォイルベアリング。
29. 回転軸を回転可能に支持するエアフォイルベアリングであって、
    円板状のプレートと、
    前記プレート上に結合される複数のバンプフォイルと、
    前記バンプフォイルの上部に配置され、一端が前記プレートに結合されて他端が自由端であるトップフォイルと、を含み、
    前記バンプフォイルは、ロータの回転方向の反対方向に向かって延びて形成された第１フォイル〜第４フォイルを含むことを特徴とするエアフォイルベアリング。
30. 前記第１フォイル〜第４フォイルは、前記ロータの回転方向に対応する端部が１つに連結されていることを特徴とする請求項２９に記載のエアフォイルベアリング。
31. 前記それぞれの第１フォイル〜第４フォイルの前記ロータの回転方向の反対方向側の端部に隣接して備えられた一番目のバンプ山の高さと、隣合う他のバンプ山の高さが異なることを特徴とする請求項３０に記載のエアフォイルベアリング。
32. 前記第１フォイル〜第４フォイルの前記一番目のバンプ山の高さが、前記隣合う他のバンプ山の高さに比べて低いことを特徴とする請求項３１に記載のエアフォイルベアリング。
33. 前記第１フォイル〜第４フォイルの前記一番目のバンプ山の高さが、前記隣合う他のバンプ山の高さの７０％以内であることを特徴とする請求項３２に記載のエアフォイルベアリング。
34. 前記トップフォイルは、前記プレートとの離隔間隔が次第に大きくなる傾斜区間と、前記プレートとの離隔間隔が均一な平面区間と、を有することを特徴とする請求項３３に記載のエアフォイルベアリング。
35. 前記第１フォイル〜第４フォイルの前記一番目のバンプ山は、前記トップフォイルの前記平面区間が始まる位置に対応することを特徴とする請求項３４に記載のエアフォイルベアリング。
36. 前記第１フォイル及び第４フォイルの前記一番目のバンプ山に隣接した端部は、前記プレートにスポット溶接（ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ）されることを特徴とする請求項３３に記載のエアフォイルベアリング。

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