KR100408936B1 - 하이브리드형 공기 베어링을 이용한 가이드-로울러 시스템 - Google Patents

하이브리드형 공기 베어링을 이용한 가이드-로울러 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동압식 및 정압식을 복합하여 채택한 공기 베어링을 이용한 가이드-로울러 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 좌우 양측이 지지대 상에 고정설치되고, 일측단부에는 외부의 공급원으로부터 공급되는 압축공기가 안내되는 공기 공급로를 구비하고, 이 공기 공급로를 통해 안내되는 압축공기를 저장하는 저장공간을 구비하며, 원주면 상에는 다수의 노즐이 구비된 공기저장축과; 공기저장축의 외주면 상에 회전가능하게 설치된 가이드-로울러와; 공기저장축의 노즐이 구비된 외주면과 마주보면서 가이드-로울러의 좌측 내주면에 고정설치되고, 일측 단부에는 소정의 함몰공간이 형성된 스페이서가 일체로 구비된 관 형상의 좌측 레이스와; 가이드-로울러의 우측 내부면에 고정설치되고, 다수의 배기홀을 구비한 관 형상의 우측 레이스와; 공기저장축의 일측 단턱에 고정결합되며, 공기저장축의 공기공급로와 연통되고, 추력 방향으로 다수의 노즐이 구비되며, 좌측 레이스의 함몰공간 내측면에 인접배치된 칼라와; 칼라의 일측면에 근접배치되면서 가이드-로울러의 일측 단부에 결합고정되는 고정판을 포함하며; 좌, 우측의 레이스와 공기저장축 사이의 상호 인접한 부분에는 다수의 미세홈이 선택적으로 형성된다.

Description

하이브리드형 공기 베어링을 이용한 가이드-로울러 시스템{Guide-roller system using a hybrid type air bearing}
본 발명은 동압식 및 정압식을 복합하여 채택한 공기 베어링을 이용한 가이드-로울러 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 자기 테이프, 미세 와이어, 선재, 또는 섬유 등과 같이 가늘고 긴 소재를 생산하는 각종 산업설비에는 무동력 회전식 가이드-로울러가 구비되고, 이 무동력 회전식 가이드-로울러는 가늘고 긴 소재의 이송을 안내하는 기능을 수행한다.
한편, 종래의 무동력 회전식 가이드-로울러는 롤링 베어링(볼 베어링, 롤러 베어링) 또는 슬라이딩 베어링을 이용하여 가이드-로울러의 양측을 지지하고, 이 가이드-로울러는 그 외주면을 통과하는 물체의 운동에너지나 외부적인 운동에너지에 의해 무동력으로 회전 운동을 하게 된다.
이때, 가이드-로울러의 외주면을 통과하는 물체의 이송속도 및 가이드-로울러의 회전속도 사이의 상관관계는 중요한 성질을 나타나게 되는데, 롤링 베어링을 사용하는 경우에는 베어링이 볼이나 롤러의 구름접촉에 의한 마찰력을 가지게 되고 이 마찰에 의해 베어링의 마모, 소음, 및 비주기적인 진동 현상이 발생하게 된다. 또한, 슬라이딩 베어링을 사용하는 경우에는 고속 회전시 마찰열에 의한 베어링 윤활유 유막의 파괴에 의한 마찰력이 증대되며 계속적인 사용에 의한 수명 저하로 인해 마찰력이 증대된다.이와 같이, 종래의 베어링을 이용한 가이드-로울러는 그 외주면을 통과하는 물체의 이송속도 및 로울러의 회전속도와의 차이가 크게 나타나게 된다.
특히, 자기테이프(Magnectic Tape)를 제조하는 생산 설비에 사용되는 저마찰 고속회전식 가이드-로울러는 상술한 바와 같은 마찰특성이 자기테이프의 품질을 좌우하는 중요한 인자가 된다.
자기 테이프의 제조공정중의 일부인 자성물질의 코팅과정에서 자성물질이 코팅된 테이프는 다수의 가이드-로울러를 통과하면서 건조되어지고 다음 공정으로 보내어진다. 이때, 가이드-로울러를 통과하는 테이프의 속도 및 가이드-로울러의 회전속도가 100% 일치되어야만 양질의 자기테이프를 제조할 수 있다.
그러나, 종래의 베어링 사용 방식은 볼이나 롤러와 같은 회전매개체의 구름접촉 또는 윤활유의 점성계수에 의하여 마찰력이 발생하기 때문에, 테이프의 이송속도 및 가이드-로울러의 회전속도를 일치시키는 것이 불가능하며 이때 발생하는 속도차에 의하여 자기 테이프의 코팅면이 손상을 입게되고, 결국 자기 테이프의 품질이 저하되는 불량의 원인이 되었다.이러한 제 문제점을 극복하고자 최근에는 정압식 또는 동압식 공기 베어링을 가이드-로울러 시스템에 적용하고 있다.
정압식 공기 베어링을 적용하는 가이드-로울러 시스템은, 외부에서 공급되는 압축공기에 의해 부하용량이 발생함으로써 가이드-로울러가 무접촉으로 부상하여 회전하는 방식으로, 회전시 상대하는 베어링면 사이의 마찰저항이 '0'이 되어 제품의 수명이 영구적이며 적절한 환경이 제공되어지면 수리 및 점검이 필요없는 장점이 있으나, 언제나 양질의 압축공기를 제공하여야 하는 단점이 있다.
동압식 공기 베어링을 사용하는 가이드-로울러 시스템은, 상대하는 베어링면의 상대 운동에 의해 부하용량이 발생함으로써 가이드-로울러가 무접촉으로 회전하는 방식으로, 상대하는 베어링면의 추력 방향 및 반경 방향에 미세홈을 가공하여 회전시에는 압축공기를 공급하지 않아도 되는 이점이 있으나, 구동 및 정지시에는 베어링면의 접촉에 의해 마찰현상이 발생하여 베어링면이 마모가 되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 외부로부터 압력 유체를 압송하여 부하용량을 발생시키는 정압식 공기 베어링 및 상대하는 베어링면의 상대 운동에 의해 부하용량을 발생시키는 동압식 공기 베어링의 장점만을 채용함으로써, 압축공기 공급의 양을 줄이고 과부하나 압축공기 공급 중단시 제품의 치명적인 손상을 방지하는 가이드-로울러 시스템을 제공하는 데 그 주 목적이 있다.
또한, 본 발명은 정압식 및 동압식 공기 베어링을 이용하여 가이드-로울러를 무접촉 부상시켜 회전시킴으로써, 종래의 베어링을 사용함에 따라 발생할 수 있는 마찰력 증대에 의해 이송되는 제품의 품질을 저하시키는 것을 방지하여 생산성 향상에 크게 이바지 할 수 있는 가이드-로울러 시스템을 제공하는 데 그 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 정압식 및 동압식 공기 베어링의 복합 채용 방식에 의해 초기 구동시 및 정지시에만 압축공기 공급이 필요하므로, 에너지 절감 효과를 얻을 수 있는 가이드-로울러 시스템을 제공하는 데 그 다른 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 가이드-로울러 시스템을 도시한 전체 사시도.
도 2는 본 발명의 가이드-로울러 시스템을 도시한 전체 단면도.
도 3은 본 발명의 가이드-로울러 시스템을 도시한 부분 절취 단면도.
도 4는 도 3의 A부분을 확대하여 도시한 상세 단면도.
도 5은 본 발명의 칼라를 도시한 정단면도 및 좌우측면도.
도 6은 본 발명의 고정판을 도시한 정단면도 및 우측면도.
도 7은 도 2의 B부분을 확대하여 도시한 상세 단면도.
도 8은 본 발명의 좌측 레이스의 정단면도 및 좌측면도, 우측 레이스의 정단면도를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 공기저장축의 외관을 도시한 사시도 및 정면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 가이드-로울러
4 : 공기저장축
4a,8a : 노즐
11a,11b,11c,11d : 공기층
7,12 : 레이스
13 : 배기홀
19 : 테이퍼
20 : 스페이서
21 : 미세홈
22a,22b : 미세홈
23 : 미세홈
24a,24b : 미세홈
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 좌우 양측이 지지대 상에 고정설치되고, 일측단부에는 외부의 공급원으로부터 공급되는 압축공기가 안내되는 공기 공급로를 구비하고, 이 공기 공급로를 통해 안내되는 압축공기를 저장하는 저장공간을 구비하며, 원주면 상에는 다수의 노즐이 구비된 공기저장축과; 공기저장축의 외주면 상에 회전가능하게 설치된 가이드-로울러와; 공기저장축의 노즐이 구비된 외주면과 마주보면서 가이드-로울러의 좌측 내주면에 고정설치되고, 일측 단부에는 소정의 함몰공간이 형성된 스페이서가 일체로 구비된 관 형상의 좌측 레이스와; 가이드-로울러의 우측 내부면에 고정설치되고, 다수의 배기홀을 구비한 관 형상의 우측 레이스와; 공기저장축의 일측 단턱에 고정결합되며, 공기저장축의 공기공급로와 연통되고, 추력 방향으로 다수의 노즐이 구비되며, 좌측 레이스의 함몰공간 내측면에 인접배치된 칼라와; 칼라의 일측면에 근접배치되면서 가이드-로울러의 일측 단부에 결합고정되는 고정판을 포함하며; 좌, 우측의 레이스와 공기저장축 사이의 상호 인접한 부분에는 다수의 미세홈이 선택적으로 형성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드-로울러 시스템을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 가이드-로울러 시스템(1)은 압축공기를 저장하는 공기저장축(4)과, 이 공기저장축(4)의 외주면 상에 회전가능하게 설치된 가이드-로울러(2)와, 공기저장축(4) 및 가이드-로울러(2) 사이에 개재된 다수의 레이스(7, 12)와, 공기저장축(4)의 일측단부 상에 고정결합된 칼라(8)를 포함한다.
공기저장축(4)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 그 좌우 양측단부가 지지대(3, 3a)에 고정설치되고, 그 원주면 상에 다수의 노즐(4a)이 구비되며, 그 일측단부에는 외부의 공급원(16, 17, 18)으로부터 공급되는 압축공기를 안내하는 공기 공급로(4b)가 형성되고, 중앙 내부 공간에는 이 공급되는 압축공기를 저장하는 저장공간(4c)이 형성된다. 공기저장축(4)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 후술하는 칼라(8)가 결합되는 일측 단턱 부분에 소정 갯수의 공기홈(7a)이 형성된다.
또한, 공기저장축(4)은 도 9에 도시된 바와 같이, 다수의 노즐(4a)이 구비된 부분에 근접한 외주면 상에 다수의 미세홈(21)이 형성된다.
가이드-로울러(2)는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 좌우 양측이 개방된 실린더 형상이고, 공기저장축(4)의 외주면 상에 회전가능하게 설치되며, 그 내주면 일측에는 후술하는 다수의 레이스(7, 12)가 고정설치된다.
좌우 양측의 레이스(7, 12)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 공기저장축(4)의 노즐(4a)이 구비된 부분과 마주보면서 가이드-로울러(2)의 내주면 상에 볼트(14, 15)에 의해 고정설치된다. 이러한 좌우 양측의 레이스(7, 12)는 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이, 공기저장축(4)의 노즐(4a)를 통해 분사되는 압축공기에 의해 소정 두께의 반경 방향의 공기층(11a, 11b)을 형성시키도록 공기저장축(4)의 노즐(4a)이 구비된 외측면과 아주 미세한 간격으로 이격 배치된다.
좌측의 레이스(7)는 도 8에 도시된 바와 같이, 관형상으로 이루어지고, 그 일측단부에 추력 방향 공기층(11c, 11d)을 형성시키기 위한 스페이서(20)가 일체로 구비되며, 이 스페이서(20)는 그 최외각 자유단부로부터 내향으로 함몰된 함몰공간(24)을 구비한다. 또한 이 스페이서(20)는 추력 방향 공기층(11c, 11d)의 두께를 조절하는 기능을 수행하고, 그 두께는 추력 방향 공기층(11c, 11d) 두께의 2배에 해당한다.
우측의 레이스(12)는 도 8에 도시된 바와 같이, 관형상으로 이루어지고, 소비된 압축공기를 외부로 배출시키기 위한 다수의 배기홀(13)을 구비한다. 이 우측 레이스(12)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상술한 가이드-로울러(2)의 우측 단부상에 볼트(15)를 통해 직접 결합되고, 그 외측 가장자리면에는 소정 각도의 테이퍼(18)가 형성된다. 이 테이퍼(18)는 가이드-로울러(2)의 우측 단부 및 우측 레이스(12) 사이의 조립 간격을 맞추기 위한 것으로, 조립 및 점검시에 볼트(15)의 인장력에 의해 공기층(11b)의 조절을 용이하게 하는 기능을 수행한다.
이 좌우 양측의 레이스(7, 12)는 도 8에 도시된 바와 같이, 그 외주면 상에 다수의 미세홈(22a, 22b)이 각각 형성되고, 또한 좌측 레이스(7)의 칼라(8)가 인접배치되는 함몰공간(24) 내측면 상에는 다수의 미세홈(24b)이 형성된다.
칼라(8)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 좌측 레이스(7)의 함몰공간(24) 내측면과 미세한 간격으로 이격 배치되면서 공기저장축(4)의 일측 단턱에 체결된 후 황동납땜에 의해 고정된다.
또한, 칼라(8)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 그 내부에 상술한 공기저장축(4)의 공기 공급로(4b)에 통공(5)을 통해 연통되는 공기유로(8b)가 형성되며, 그 추력 방향의 좌우 양측면 상에는 다수의 노즐(8a)이 구비되고, 이 노즐이 구비된 면에 근접하여 다수의 미세홈(23)이 형성된다.
한편, 고정판(9)은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 가이드-로울러(2)의 일측 단부에 볼트(14)에 의해 결합된다. 즉, 칼라(8)가 공기저장축(4)의 일측단턱에 고정결합된 후에, 볼트(14)가 고정판(9) 및 좌측 레이스(7)의 스페이서(20)에 관통결합됨으로써, 고정판(9) 및 좌측 레이스(7)가 가이드-로울러(2)의 좌측 단부에 고정결합된다. 그리고, 이 고정판(9)은 도 6에 도시된 바와 같이, 그 외측 가장자리면에 소정 각도의 테이퍼(19)가 형성되고, 그 내측면 상에는 다수의 미세홈(24a)이 형성된다. 이 테이퍼(19)는 고정판(9) 및 가이드-로울러(2)의 좌측 단부 사이의 조립 간격을 맞추기 위한 것으로, 조립 및 점검시에 볼트(14)의 인장력에 의해 공기층(11a, 11c, 11d)의 조절을 용이하게 하는 기능을 수행한다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 가이드-로울러 시스템(1)의 작동관계를 상세히 설명한다.
먼저, 공기압축기(16)에서 생성된 압축공기는 공기건조기(17)에서 수분이 제거되고 공기여과기(18)에서 필터링된 후에, 파이프(6) 및 공기저장축(4)의 공기 공급로(4b)를 거쳐 공기저장축(4)의 저장공간(4c) 내에 저장된다.
그런 다음, 가이드-로울러(2) 구동시 또는 정지시에는, 공기저장축(4)의 노즐(4a)를 통해 압축공기가 좌우 양측의 레이스(7, 12) 및 공기저장축(4) 사이의 미세한 틈새로 분사되어, 소정 두께의 반경 방향 공기층(11a, 11b)이 형성된다.
이와 동시에, 외부의 공급원(16, 17, 18)으로부터 공급되는 압축공기 중 일부는 칼라(8)의 내부공간으로 유입되어 칼라(8)의 노즐(8a)를 통해 칼라(8)의 양측면과 고정판(9)과 스페이서(20)의 함몰공간(24) 사이의 미세 공간으로 분사된다. 이렇게 분사된 압축공기에 의해 칼라(8)의 우측면과 스페이스(20)의 함몰공간(24) 내측면 사이의 미세 공간 및 칼라(8)의 좌측면과 고정판(9)의 내측면 사이의 미세 공간에는 추력 방향의 공기층(11c, 11d)이 형성된다.
이렇게 형성된 반경 방향 및 추력 방향의 공기층(11a, 11b, 11c, 11d)에 의해 가이드-로울러(2)는 무접촉으로 부상하게 되고, 이때 자기 테이프, 미세 와이어, 선재, 또는 섬유 등과 같이 가늘고 긴 소재가 가이드-로울러(2)의 외주면 상으로 이송됨에 따라 가이드-로울러(2)는 무동력으로 회전구동된다. 즉, 본 발명의 가이드-로울러(2)는 그 무동력 회전 중에 반경 방향 및 추력 방향에서의 마찰 계수가 거의 "0"에 근접하게 된다.
이러한 공기저장축(4) 및 가이드-로울러(2)의 미세한 간격으로 공급되는 압축공기에 의해 형성된 공기층(11a, 11b, 11c, 11d)에 의해 가이드-로울러(2)는 공기저장축(4)의 외주면으로부터 부상하여 회전구동하게 됨으로써, 정압식 공기 베어링의 기능을 수행한다.한편, 공기저장축(4)의 일측 단턱에 형성된 공기홈(7a)은 상술한 반경 방향의 공기층(11a)과 추력방향의 공기층(11c, 11d) 사이의 공기 충돌에 의해 추력방향의 공기층(11c, 11d)이 파괴되는 것을 방지한다. 즉, 이 공기홈(7a)은 반경방향 측의 공기층(11a, 11b) 및 추력 방향의 공기층(11c, 11d) 사이에서 원활한 공기 흐름을 발생시킴으로써, 공기 충돌에 의한 공기층 파괴현상을 방지하는 특징이 있다.다음, 공기층(11a, 11b, 11c, 11d)에 의해 가이드-로울러(2)가 일정속도로 회전구동할 경우에는, 공기층(11a, 11b, 11c, 11d)을 형성한 압축공기가 공기저장축(4)의 미세홈(21), 좌우 양측의 레이스의 미세홈(22a, 22b, 24b), 고정판(9)의 미세홈(24a), 및 칼라(8)의 미세홈(23) 내로 유입되어 소정의 펌핑작용을 하게 된다. 이에 따라, 일정 속도로 회전구동하는 가이드-로울러(2)는 더 이상의 압축공기 공급이 필요없게 되고, 이러한 본 발명의 미세홈(21, 22a, 22b, 23, 24a, 24b)들에 의해 본 발명의 가이드-로울러(2)는 동압식 공기 베어링 기능을 수행한다.다음, 공기층(11a, 11b, 11c, 11d)을 형성한 뒤에 소비된 압축공기는 우측 레이스(12)의 배기홀(13)을 통해 외부로 배출된다.이상에서 밝힌 바와 같이, 본 발명은 노즐에서 압축공기가 공급될 때 반경방향으로 부상하고, 칼라의 양측면에서 추력 방향으로 공기층이 형성되어 부상하므로 본 발명의 가이드-로울러는 반경 방향 및 추력 방향으로의 마찰계수가 거의 '0'에 근접하게 되므로 무접촉 회전이 용이하여 가이드-로울러(2)를 통과하는 물체와 동일한 속도로 회전하는 특징이 있다.또한, 회전시 반경 방향 및 추력 방향에서 발생된 공기층에 의해서 반경 방향 및 추력 방향의 미세홈으로 압축공기가 유입되어 회전체와 고정구조물 사이의 틈새압력이 증가하게 되어 압력차에 의해 발생한 힘이 회전체(즉, 가이드-로울러(2))를 부상시킨다.
상기와 같은 본 발명은, 정압식 및 동압식 공기 베어링의 장점만을 채용함으로써, 압축공기 공급의 양을 줄이고 과부하나 압축공기 공급 중단시 제품의 치명적인 손상을 방지하는 매우 뛰어난 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 좌우 양측이 지지대 상에 고정설치되고, 일측단부에는 외부의 공급원으로부터 공급되는 압축공기가 안내되는 공기 공급로를 구비하고, 이 공기 공급로를 통해 안내되는 압축공기를 저장하는 저장공간을 구비하며, 원주면 상에는 다수의 노즐이 구비된 공기저장축과;
    상기 공기저장축의 외주면 상에 회전가능하게 설치된 가이드-로울러와;
    상기 공기저장축의 노즐이 구비된 외주면과 마주보면서 가이드-로울러의 좌측 내주면에 고정설치되고, 일측 단부에는 소정의 함몰공간이 형성된 스페이서가 일체로 구비된 관 형상의 좌측 레이스와;
    상기 가이드-로울러의 우측 내부면에 고정설치되고, 다수의 배기홀을 구비한 관 형상의 우측 레이스와;
    상기 공기저장축의 일측 단턱에 고정결합되며, 공기저장축의 공기공급로와 연통되고, 추력 방향으로 다수의 노즐이 구비되며, 상기 좌측 레이스의 함몰공간 내측면에 인접배치된 칼라와;
    상기 칼라의 일측면에 근접배치되면서 상기 가이드-로울러의 일측 단부에 결합고정되는 고정판을 포함하며;
    상기 좌, 우측의 레이스와 공기저장축 사이의 상호 인접한 부분에는 다수의 미세홈이 선택적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 공기 베어링을 이용한 가이드-로울러 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 공기저장축의 외주면 및 상기 좌, 우측 레이스의 내주면 상에 다수의 미세홈이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 공기 베어링을 이용한 가이드-로울러 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 칼라, 좌측 레이스의 함몰공간 내측면, 및 고정판 사이의 상호 인접하는 부분에 다수의 미세홈이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 공기 베어링을 이용한 가이드-로울러 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 고정판 및 우측 레이스의 외측 가장자리면에는 소정 각도의 테이퍼가 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 공기 베어링을 이용한 가이드-로울러 시스템.
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