KR101375184B1 - 공기 포일 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 포일을 고정하기 위한 조립 슬롯의 접선에 대한 절곡 각도가 예각이 되도록 함으로써, 마모를 줄일 수 있는 공기 포일 베어링에 관한 것이다. 본 발명은, 내부에 회전체가 삽입되어 회전하는 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 내면과 상기 회전체 사이에 삽입되는 포일; 상기 베어링 하우징의 내면에 상기 포일의 끝단부가 삽입될 수 있도록 슬롯으로 형성되는 조립 슬롯; 및 상기 포일을 상기 조립 슬롯 내부에 지지할 수 있도록 상기 조립 슬롯 내부에 삽입되는 조립 키를 구비하고, 상기 조립 슬롯의 상기 베어링 하우징 내면의 원주면에 대한 절곡 각도가 예각인 공기 포일 베어링을 제공한다.

Description

공기 포일 베어링{Air foil bearing}
본 발명은 공기 포일 베어링에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회전체와 탑 포일 사이의 상대 운동으로 발생된 동압에 의하여 회전체 및 하중을 지지하는 공기 포일 베어링에 관한 것이다.
공기 포일 베어링(Air Foil Bearing)은 회전 지지를 위하여 공기를 윤활유로 사용하는 공기 베어링의 일 종으로서, 회전체와 포일 사이의 상대 운동으로 발생된 동압에 의하여 회전체 및 하중을 지지한다. 공기 포일 베어링은 고속 회전이 가능하므로 소형 또는 경량의 터보 기계용 베어링으로 사용 가능하며, 소형 터보 기계 공기 압축기, 가스 압축기, 냉매 압축기, 터보 블로워, 공기 사이클 기계(air cycle machine) 등의 다양한 분야에 사용될 수 있다.
공기 포일 베어링(Air Foil Bearing)은 점성이 낮은 공기를 윤활제로 사용하므로, 윤활제의 낮은 점성을 고체 접촉 시 손상을 막기 위하여 마찰면에 고체 윤활 코팅을 하여 보완할 수 있다.
특히, 공기 포일 베어링은 일반적인 동압 베어링과는 달리 내부에서 발생된 압력 분포와 외부 하중 상황에 따라 포일의 형상이 능동적으로 변할 수 있다. 따라 서, 고속 회전 뿐만 아니라 고 하중 조건의 공기 베어링으로도 사용 가능하다.
하지만, 통상의 공기 포일 베어링에서는 회전체가 기동하면, 회전체와 포일 사이의 마찰에 의하여 포일이 당겨질 수 있다. 또한, 이로 인하여 조립 부분에서 포일이 빠져 나올 수 있으며, 빠져 나온 부분이 베어링의 틈새를 작게 만들거나, 기동 시의 마모를 발생시킬 수 있다.
본 발명은, 포일을 고정하기 위한 조립 슬롯의 접선에 대한 절곡 각도가 예각이 되도록 함으로써, 마모를 줄일 수 있는 공기 포일 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 내부에 회전체가 삽입되어 회전하는 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 내면과 상기 회전체 사이에 삽입되는 포일; 상기 베어링 하우징의 내면에 상기 포일의 끝단부가 삽입될 수 있도록 슬롯으로 형성되는 조립 슬롯; 및 상기 포일을 상기 조립 슬롯 내부에 지지할 수 있도록 상기 조립 슬롯 내부에 삽입되는 조립 키를 구비하고, 상기 조립 슬롯의 상기 베어링 하우징 내면의 원주면에 대한 절곡 각도가 예각인 공기 포일 베어링을 제공한다.
상기 조립 키가 상기 포일의 일단과 일체형이 될 수 있다.
상기 포일이, 상기 베어링 하우징 내면과 상기 회전체 사이에 상기 베어링 하우징 내면의 원주 방향으로 연장되어 삽입되는 탑 포일, 및 상기 베어링 하우징과 상기 탑 포일과 사이에 배치되어 상기 회전체를 강성 지지할 수 있는 범프 포일을 구비할 수 있다.
상기 탑 포일이 상기 조립 슬롯에 삽입되어 생기는 라운드가, 상기 범프 포일이 상기 조립 슬롯에 삽입되어 생기는 라운드보다 크도록, 상기 탑 포일이 상기 조립 슬롯에 삽입될 수 있다.
상기 포일이 상기 범프 포일과 상기 베어링 하우징 내면 사이에 상기 베어링 하우징과 상기 회전체 사이의 간격을 조절하기 위해 삽입되는 심 포일을 더 구비할 수 있다.
상기 범프 포일이 상기 베어링 하우징 측에 지지되는 부분과 상기 탑 포일 측에 지지되는 부분이 교대로 반복되도록 형성될 수 있다.
상기 조립 슬롯이 복수개 구비될 수 있다.
상기 포일이 상기 조립 슬롯에 대응되는 개수로 구분되어 설치될 수 있다.
상기 조립 슬롯의 입구에 상기 조립 슬롯 내부에 삽입된 상기 조립 키를 지지할 수 있도록 상기 조립 슬롯의 내면으로부터 돌출된 돌출부를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 공기 포일 베어링에 의하면, 포일을 고정하기 위한 조립 슬롯의 접선에 대한 절곡 각도가 예각이 되도록 함으로써, 마모를 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 바람직한 실시예인 공기 포일 베어링(200)의 일 단면도가 도시되어 있다. 도 2에는 도 1의 공기 포일 베어링(200)에서 포일(220)이 삽입되는 조립 슬롯(230)과 조립 키(240)가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 공기 포일 베어링(200)은, 베어링 하우징(210); 포 일(220); 조립 슬롯(230); 및 조립 키(240)를 구비할 수 있다.
상기 베어링 하우징(210)은 그 내부에 회전체(100)가 삽입되어 회전한다. 상기 포일(220)은 베어링 하우징(210)의 내면과 회전체(100) 사이에 삽입된다.
상기 조립 슬롯(230)은 상기 베어링 하우징(210)의 내면에 상기 포일(220)의 끝단부가 삽입될 수 있도록 슬롯으로 형성된다. 상기 조립 키(240)는 상기 포일(220)을 상기 조립 슬롯(230) 내부에 지지할 수 있도록 상기 조립 슬롯(230) 내부에 삽입된다.
이때, 조립 슬롯(230)의 상기 베어링 하우징(210) 내면의 원주면에 대한 절곡 각도(20a)가 예각이 된다. 이에 따라, 조립 키(240)가 상기 베어링 하우징(210) 내면의 원주면에 대한 절곡 각도(20a)가 예각이 되도록 상기 조립 슬롯(230)에 삽입된다.
도 3에 도시된 비교 실시예에와 같이 통상의 공기 포일 베어링에서는 포일들이 90도 절곡 각도로 절곡되어 사용될 수 있다. 이때, 회전체가 기동되면 회전체와 포일 사이의 마찰에 의하여 도면에 도시된 바와 같이 포일이 당겨질 수 있다.
이 경우, 조립 슬릿(230)으로부터 포일이 빠져 나올 수 있으며, 빠져 나온 부분이 베어링의 틈새를 작게 만들 수 있다. 따라서, 베어링의 기동 시에 기동 토크가 과도하게 증가할 수 있으며, 결과적으로 기동 및 정지의 사이클이 반복됨에 따라 베어링의 고체 윤활제의 마모가 증가하여 베어링의 수명이 감소할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 공기 포일 베어링(200)서는 상기 베어링 하우징(210) 내면의 원주면에 대한 절곡 각도(20a)가 예각이 되도록 조립 슬롯(230)을 형성할 수 있다. 이 경우, 조립 키(240)가 베어링 하우징(210) 내면의 원주면에 대한 절곡 각도(20a)가 예각이 되도록 상기 조립 슬롯(230)에 삽입될 수 있다.
따라서, 회전체(100)의 기동 시에 회전체(100)에 의하여 포일(220)이 당겨지더라도 절곡 각도(20a)가 예각이 되므로, 포일(220)의 조립 슬롯(230)에 삽입된 부분이 오히려 조립 슬롯(230) 내부로 더욱 삽입될 수 있다. 그에 따라, 기동 시에도 베어링 틈새가 줄어들지 아니하므로, 기동 토크의 증가가 없어 기동 실패가 발생하지 않으며, 기동 정지 시의 마모량도 저하될 수 있다. 결과적으로 베어링의 수명이 획기적으로 증가될 수 있다.
한편, 상기 베어링 하우징(210)의 내면과 회전체(100) 사이에 삽입되는 포일(220)은 탑 포일(221), 범프 포일(222), 및 심 포일(223)을 구비할 수 있다.
탑 포일(221)은 상기 베어링 하우징(210) 내면과 상기 회전체(100) 사이에 상기 베어링 하우징(210) 내면의 원주 방향으로 연장되어 삽입될 수 있다. 범프 포일(222)은 베어링 하우징(210)과 탑 포일(221) 사이에 배치되어 상기 회전체(100)를 강성 지지할 수 있다. 심 포일(223)은 상기 범프 포일(222)과 상기 베어링 하우징(210) 내면 사이에 상기 베어링 하우징(210)과 상기 회전체(100) 사이의 간격을 조절하기 위해 삽입될 수 있다.
이때, 탑 포일(221)에 대하여 강성체인 범프 포일(222)이 추가됨으로써, 공기 포일 베어링(200)의 강성이 증가되어, 베어링 성능이 향상될 수 있다. 또한, 상기 범프 포일(222)은 상기 베어링 하우징(210) 측에 지지되는 부분과 상기 탑 포일(221) 측에 지지되는 부분이 교대로 반복되도록, 탑 포일(221)과 베어링 하우징(210) 내면 사이에 삽입될 수 있다.
탑 포일(221)은 범프 포일(222)과 동일한 재질로 일체형으로 형성될 수 있다. 범프 포일(222)이 단면 형상 기준 직선으로 연장되는 탑 포일(221)에 연장되어 웨이브 형상을 갖도록 형성되어, 가해지는 하중을 지지할 수 있다.
이때, 조립 키(240)가 탑 포일(221)의 시작부 끝단부에 일체형으로 형성될 수 있다. 즉, 탑 포일(221)이 조립 키(240)로부터 동일한 재질로 직선으로 연장되어 형성되고, 범프 포일(222)이 탑 포일(221)의 끝단부로부터 웨이브를 가지며 연장되도록 형성될 수 있다.
이때, 탑 포일(221)과 범프 포일(222)의 사이가 접혀져서, 회전체(100)와 베어링 하우징(210) 내면 사이에 삽입될 수 있다. 상기 범프 포일(222)과 상기 베어링 하우징(210) 내면 사이에 삽입되는 심 포일(223)은 탑 포일(221)과 범프 포일(222)과 함께 단위 포일을 형성할 수 있다.
한편, 도면에 도시된 바와 같이 베어링 하우징(210) 내면에는 조립 슬롯(230)이 복수개 구비될 수 있다. 이때, 회전체(100)와 베어링 하우징(210) 내면 사이에는 단위 포일이 조립 슬롯(230)에 대응되는 개수만큼 분리되어 복수개 설치될 수 있다.
또한, 상기 탑 포일(221)이 상기 조립 슬롯(230)에 삽입되어 생기는 라운드(221a)가, 상기 범프 포일(222)이 상기 조립 슬롯(230)에 삽입되어 생기는 라운드(222a)보다 크게 되도록, 상기 탑 포일(221)이 상기 조립 슬롯(230)에 삽입될 수 있다. 이때, 범프 포일(222)과 탑 포일(221)의 조립 슬릿(230)에 삽입되어 조립되 는 부분의 절곡 부위에서 범프 포일(222)과 탑 포일(221)이 겹치게 된다. 따라서, 상기 탑 포일(221)의 라운드(221a)가 상기 범프 포일(222)의 라운드(222a)보다 더 커야만 범프 포일(222)과 탑 포일(221)의 절곡 부분에서의 간섭이 방지될 수 있다.
한편, 공기 포일 베어링(200)에서는, 탑 포일(221) 및 범프 포일(222)의 끝단부가 삽입되는 상기 조립 슬롯(230)의 입구에 상기 조립 슬롯(230) 내부에 삽입된 후에 상기 조립 키(240)를 지지할 수 있도록 상기 조립 슬롯(230)의 내면으로부터 돌출된 돌출부(231)가 더 구비될 수 있다.
즉, 돌출부(231)는 조립 키(240)가 조립 슬롯(230) 내부에 삽입된 후에 조립 키(240)가 조립 슬롯(230)으로부터 흘러내리는 것을 방지할 수 있다.
도 4에는 도 1의 공기 포일 베어링(200)과 도 3의 비교 실시예(300)에 따른 실험 결과가 도시되어 있다. 이때, 도 1의 공기 포일 베어링(200)과 도 3의 비교 실시예(300)에 대한, 기동 및 정지 10,000 사이클(cycle) 반복 시의 마모 두께와 기동 토크가 도시되어 있다.
비교 실시예의 경우 약 15㎛의 마모가 있었으나, 본원 발명에 따른 공기 포일 베어링(200)은 마모 두께가 1㎛ 미만이 된다. 따라서, 본원 발명에 따른 공기 포일 베어링(200)의 내구성이 15배 이상 증가된다. 또한,
비교 실시예의 경우 약 0.7 Nm의 기동 토크가 필요하나, 본원 발명에 따른 공기 포일 베어링(200)은 0.5 Nm의 기동 토크가 필요하다. 따라서, 본원 발명에 따른 공기 포일 베어링(200)은 비교 실시예에 대하여 기동 토크를 28.6% 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 포일을 고정하기 위한 조립 슬롯의 접선에 대한 절곡 각도가 예각이 되도록 함으로써, 마모를 줄일 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서, 공기 포일 베어링을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 공기 포일 베어링에서 포일이 삽입되는 조립 슬롯과 조립 키를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 공기 포일 베어링에 대한 비교 실시예로서, 조립 슬롯이 베어링 하우징 원주면에 대하여 수직인 공기 포일 베어링을 개략적으로 도시한 도면이다
도 4는 도 1의 공기 포일 베어링과 도 3의 비교 실시예에 따른 실험 결과를 개략적으로 도시한 표이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 회전체, 200: 공기 포일 베어링,
210: 베어링 하우징, 220: 포일,
221: 탑 포일, 222: 범프 포일,
223: 심 포일, 230: 조립 슬롯,
231: 돌출부, 240: 조립키.

Claims (9)

  1. 내부에 회전체가 삽입되어 회전하는 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징의 내면과 상기 회전체 사이에 삽입되는 포일;
    상기 베어링 하우징의 내면에 상기 포일의 끝단부가 삽입될 수 있도록 슬롯으로 형성되는 조립 슬롯; 및
    상기 포일을 상기 조립 슬롯 내부에 지지할 수 있도록 상기 조립 슬롯 내부에 삽입되는 조립 키를 구비하고,
    상기 조립 슬롯의 상기 베어링 하우징 내면의 원주면에 대한 절곡 각도가 예각이며,
    상기 포일이,
    상기 베어링 하우징 내면과 상기 회전체 사이에 상기 베어링 하우징 내면의 원주 방향으로 연장되어 삽입되는 탑 포일, 및
    상기 베어링 하우징과 상기 탑 포일과 사이에 배치되어 상기 회전체를 강성 지지할 수 있는 범프 포일을 구비하며,
    상기 탑 포일이 상기 조립 슬롯에 삽입되어 생기는 라운드가, 상기 범프 포일이 상기 조립 슬롯에 삽입되어 생기는 라운드보다 크도록, 상기 탑 포일이 상기 조립 슬롯에 삽입되는 공기 포일 베어링.
  2. 청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 조립 키가 상기 포일의 일단과 일체형인 공기 포일 베어링.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 포일이 상기 범프 포일과 상기 베어링 하우징 내면 사이에 상기 베어링 하우징과 상기 회전체 사이의 간격을 조절하기 위해 삽입되는 심 포일을 더 구비하는 공기 포일 베어링.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 범프 포일이 상기 베어링 하우징 측에 지지되는 부분과 상기 탑 포일 측에 지지되는 부분이 교대로 반복되도록 형성되는 공기 포일 베어링.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 조립 슬롯의 입구에 상기 조립 슬롯 내부에 삽입된 상기 조립 키를 지지할 수 있도록 상기 조립 슬롯의 내면으로부터 돌출된 돌출부를 더 구비하는 공기 포일 베어링.
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