KR101408672B1 - 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 구조의 단순화 및 제작 비용 저감을 실현함과 동시에, 소형 고속 회전체에 적용이 가능할 만큼 소형화 및 경량화가 가능한 비접촉 무급유 방식의 쓰러스트 베어링으로서인, 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링을 제공함에 있다.

Description

메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링 {Metal-mesh-foil thrust bearing}

본 발명은 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링에 관한 것이다.

베어링이 하중이 회전축에 대하여 수직으로 작용하는 베어링을 저널 베어링(미끄럼 베어링의 경우)이라고 부르는 것에 대하여, 쓰러스트 베어링(thrust bearing)이란 하중이 회전축에 평행으로(즉 축 방향으로) 작용하는 베어링을 말한다. 모든 축받이의 경우도 쓰러스트 베어링이라고 부르는데, 구름 베어링에서는 분류상, 축으로의 하중방향이 45도를 넘을 경우에는 쓰러스트 베어링, 그 이하의 경우에는 레이디얼 베어링으로 분류한다.

회전축에 이러한 쓰러스트 베어링이 구비되는 이유는, 고속으로 회전하는 회전체의 경우 축 방향의 진동이 발생되기 때문이다. 일반적으로 발전기나 터빈 등과 같은 다양한 회전축이 구비되는 장치에서, 반경 방향의 진동 저감을 위해 사용되는 레이디얼 베어링과 함께, 이처럼 축 방향의 진동 저감을 위해 사용되는 쓰러스트 베어링이 구비되는 것은 일반적이다.

특히 고속으로 회전하는 회전체의 경우, 진동을 저감하는 효과와 함께 (마찰에 의하여 고온을 유발하는 열 발생이 필연적이므로) 고온에서 사용 가능해야 하고, 또한 축 방향 하중에 의한 베어링 파손이 없도록 높은 내구성이 필요하다는 점이 잘 알려져 있다. 이러한 조건 때문에 일반적으로 많은 경우 쓰러스트 베어링으로서 유체 베어링(fluid bearing)이 사용되거나 또는 적어도 윤활제 역할을 하는 유체가 급유되도록 하는 형태의 베어링이 널리 사용되어 왔다. 일례로 일본특허공개 제2006-077863호("동압 베어링 장치용 축 부재 및 그 제조 방법", 2006.03.23)에는 방사상 소용돌이와 유사한 모양의 요철 형상으로 되는 쓰러스트 베어링 구조가 개시된다. 일본특허공개 제2005-201324호("동압 베어링 장치", 2005.07.28)에도 이와 유사하게, 헤링본 모양의 요철 형상으로 되는 쓰러스트 베어링 구조가 개시된다. 이러한 쓰러스트 베어링은 모두 접촉식 구조로서 작동 시 윤활제가 급유되어야 함은 당연하다.

한편 최근, 세계적으로 중앙 집중 방식의 전기 송전이 킬로와트당 비용이 크게 소모되고 생산된 전기를 소비자에게 분배하기 위해 설치되는 고가의 기초 구조물을 가지고 있어야만 하여 초기 설비 투자비의 규모가 커진다는 문제 등으로 인하여, 분산형 발전기술의 상업화 경향이 강해지고 있다. 이러한 경향에 따라 현장에서 직접 전력을 발생시킬 수 있는 소형 가스 터빈인 마이크로 가스 터빈의 활용이 점점 늘어나는 추세에 있다. 마이크로 가스 터빈 또는 마이크로터빈(Microturbine)은 가스 터빈을 소형화한 것으로서, 일반적으로 1kW 미만에서 수백kW의 출력을 갖는다. 이러한 마이크로 가스 터빈은 상술한 바와 같이 분산형 전원과 소규모 열병합 발전용으로 기술적인 장점 및 친환경적인 특성으로 인해 기술 개발과 보급이 늘어나는 추세에 있다.

상술한 바와 같은 마이크로 가스 터빈 등과 같은 소형 장치의 경우, 원하는 출력을 얻기 위해서는 회전축의 회전은 일반적으로 10만~40만rpm 정도의 고속으로 이루어진다는 점이 잘 알려져 있다. 이처럼 소형 장치에 있어서도 쓰러스트 베어링의 구비는 필수적인데, 문제는 이러한 소형 장치의 경우 부피 문제 등으로 인하여 윤활제를 급유하는 장치를 연결하기에 부적당하다는 것이다. 즉, 특히 현재 그 필요 또는 실제 사용이 늘어나고 있는 마이크로 가스 터빈과 같은 소형 고속 회전체의 경우에 있어서, 앞서 설명한 쓰러스트 베어링의 요구 조건(축 방향 진동 저감, 고온 환경에서 사용 가능, 높은 내구성)에 더하여, 비접촉식 및 무급유 조건을 더 만족시키는 형태의 쓰러스트 베어링에 대한 요구가 날로 커지고 있다.

쓰러스트 베어링에 한정하지 않고 기존에 개발된 비접촉 무급유 베어링 기술을 살펴보면, 에어포일 베어링 또는 전자석 베어링 등이 있다. 그런데 이러한 베어링들의 경우 그 구성상 래디얼 베어링에 매우 적합하게 되어 있어, 래디얼 베어링으로서 사용되는 경우 보다 간단한 구성으로 이루어질 수 있으나, 쓰러스트 베어링으로서 사용되는 경우 한국특허등록 제1204194호("가스 포일 스러스트 베어링 및 그것을 구비하는 원심 압축기", 2012.11.16), 미국특허공개 제2009-0039740호("Magnetic Bearing", 2009.02.12) 등에 개시되는 바와 같이 구성이 복잡해지고 부피가 커지는 등 제작이 어려워지는 문제가 있었다. 특히 에어포일 쓰러스트 베어링의 경우 구조적으로 내구성이 취약하다는 등의 문제가 있었으며, 무엇보다도 종래의 쓰러스트 방식의 에어포일 베어링 또는 전자석 베어링의 경우, 직경 30mm 이하의 소형으로의 제작이 상당히 난해하고 제작 공정 정밀도를 향상하기가 어려워서, 생산성이 떨어지고 비용이 상승하는 등의 문제를 유발시켰다.

1. 일본특허공개 제2006-077863호("동압 베어링 장치용 축 부재 및 그 제조 방법", 2006.03.23) 2. 일본특허공개 제2005-201324호("동압 베어링 장치", 2005.07.28) 3. 한국특허등록 제1204194호("가스 포일 스러스트 베어링 및 그것을 구비하는 원심 압축기", 2012.11.16) 4. 미국특허공개 제2009-0039740호("Magnetic Bearing", 2009.02.12)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 구조의 단순화 및 제작 비용 저감을 실현함과 동시에, 소형 고속 회전체에 적용이 가능할 만큼 소형화 및 경량화가 가능한 비접촉 무급유 방식의 쓰러스트 베어링으로서인, 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링은, 쓰러스트 베어링(100)에 있어서, 몸체부(111), 상기 몸체부(111) 일부 영역에서 상측으로 돌출 형성되며 상면이 평면을 이루도록 형성되는 돌출부(112), 상기 몸체부(111) 일측에 함몰 형성되는 홈부(113)를 포함하며, 메탈 메쉬 재질로 이루어지는 댐퍼 바디(110); 상기 돌출부(112)의 상면에 면접촉하는 접촉부(121), 상기 홈부(113)에 삽입 고정되는 고정부(122), 상기 접촉부(121) 및 상기 고정부(122)를 연결하는 연결부(123)를 포함하며, 일체의 박판이 절곡되어 이루어지는 탑 포일(120); 을 포함하여 이루어지며, 상기 탑 포일(120)의 상기 접촉부(121)는 상기 댐퍼 바디(110)의 상기 돌출부(112)와 동일한 형상으로 형성되어, 상기 접촉부(121) 전체 면적이 상기 돌출부(112) 전체 면적과 완전히 면접촉함으로써 상기 접촉부(121)가 상기 돌출부(112)에 의하여 지지되는 것을 특징으로 한다.

이 때 상기 쓰러스트 베어링(100)은, 상기 댐퍼 바디(110)가, 상기 몸체부(111), 상기 돌출부(112), 상기 홈부(113)로 이루어지는 단위 칼라(P)가 적어도 둘 이상 방사상으로 배치된 형태로 이루어지며, 상기 탑 포일(120)이 상기 단위 칼라(P)의 개수만큼 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 고정부(122)는, 상기 홈부(113)에 끼움 결합되어 고정되거나, 상기 홈부(113)에 삽입되어 접착 고정될 수 있다. 또는 상기 쓰러스트 베어링(100)은, 상기 홈부(113)에 삽입된 상기 고정부(122)를 지지하도록, 상기 홈부(113)에 끼움 결합되는 고정핀(130); 을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 일정한 밀도의 금속 압착 성형물을 이용하여 쓰러스트 베어링의 탑 포일을 지지하도록 함으로써, 종래 에어포일 쓰러스트 베어링에서 박판을 이용하여 감쇠 역할을 함으로써 축 방향 하중에 취약했던 문제를 개선하여 종래에 비해 훨씬 내구성을 강화할 수 있는 큰 효과가 있다. 뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 종래의 에어포일 쓰러스트 베어링과는 달리 범프 포일을 제작할 필요가 없기 때문에, 그 구조가 단순화되고 제작이 용이해지는 효과가 있으며, 물론 이에 따라 소형 회전체에도 용이하게 적용이 가능하여, 종래에 비해 적용 범위를 훨씬 확장할 수 있다는 큰 효과가 있다.

보다 구체적으로는 다음과 같다. 마이크로 가스 터빈 등과 같이 압축기 및 터빈 임펠러 등과 같은 부품이 구비된 회전축이 고속으로 회전하는 장치에 있어서, 축 방향의 하중 및 진동이 상당한 문제가 된다. 이 때 종래의 에어포일 쓰러스트 베어링의 경우 상술한 바와 같이 축 방향 하중에 취약하기 때문에 이러한 장치에 적용이 불가능한 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 의하면 이러한 종래의 문제를 해결하고 단순한 구조로서 제작이 용이하고 소형화 및 경량화가 가능하면서도, 제작 및 유지 보수비도 절감되고, 높은 내구성 및 고온 환경 사용 가능 등의 장점이 있어, 이러한 장치에도 문제없이 적용이 가능한 것이다.

도 1은 종래의 에어포일 베어링.
도 2는 본 발명의 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링의 사시도 및 상면도.
도 3은 본 발명의 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링의 분해 사시도.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 종래의 에어포일 베어링을 도시한 것으로, 도 1(A)는 에어포일 래디얼 베어링의 한 실시예를, 도 1(B)는 에어포일 쓰러스트 베어링의 한 실시예(한국특허등록 제1204194호)를 나타내고 있다. 도 1(A)에 도시되어 있는 바와 같이, 에어포일 베어링은 기본적으로 탑 포일(1) 및 범프 포일(2)을 포함하여 이루어지며, 범프 포일(2)은 요철 등과 같은 형상으로 됨으로써 일종의 탄성체 역할을 한다. 도 1(B)에 도시된 에어포일 쓰러스트 베어링도 탑 포일(30) 및 범프 포일(20)을 포함하여 이루어지는 구조로 되어 있음을 알 수 있다. 도 1(B)에 도시된 에어포일 쓰러스트 베어링의 경우 도 1(B) 하단 도면과 같이 범프 포일(20)이 탑 포일(30)을 들어올려 주는 형태로 형성됨으로써 탄성체 역할을 하고 있다.

그런데, 앞서 설명한 바와 같이 이러한 종래의 에어포일 쓰러스트 베어링의 경우, 축 방향 하중에 대한 내구성이 극히 취약하다. 마이크로 가스 터빈과 같은 장치에서의 회전축은 매우 고속으로 회전하며, 축 방향 하중 및 진동도 상당히 큰 것으로 알려져 있어, 이처럼 내구성이 취약한 종래의 에어포일 쓰러스트 베어링을 적용하기에는 무리가 있다는 점이 밝혀졌다. 뿐만 아니라, 도 1(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 에어포일 쓰러스트 베어링의 경우 탑 포일, 범프 포일 등의 여러 부품들이 결합된 복잡한 구조로 되어 있는데, 이에 따라 베어링의 소형화 및 경량화가 어려워지는 문제가 있었다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해소하기 위하여 개발된, 종래에 비하여 부품 수를 줄이고 구조가 단순화될 뿐만 아니라 내구성을 더욱 높일 수 있는, 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링을 제시한다. 도 2는 본 발명의 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링의 사시도 및 상면도를, 도 3은 본 발명의 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링의 분해 사시도를 각각 도시하고 있다. 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링의 구성을 간략히 설명하면, 도시된 바와 같이 본 발명의 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링(100)은, 기본적으로 댐퍼 바디(110) 및 탑 포일(120)을 포함하여 이루어진다.

상기 댐퍼 바디(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 몸체부(111), 돌출부(112), 홈부(113)를 포함하여 이루어진다. 상기 돌출부(112)는 상기 몸체부(111) 일부 영역에서 상측으로 돌출 형성되며 상면이 평면을 이루도록 형성되며, 상기 홈부(113)는 상기 몸체부(111) 일측에 함몰 형성된다. 이 때 상기 댐퍼 바디(110)는, 상기 몸체부(111), 상기 돌출부(112), 상기 홈부(113)로 이루어지는 단위 칼라(unit collar, P)가 적어도 둘 이상 방사상으로 배치된 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 도 3에는 상기 단위 칼라(P)가 네 개 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 물론 하나의 예시일 뿐으로 상기 단위 칼라(P)의 개수는 몇 개이든 제한이 없다.

상기 탑 포일(120)은 일체의 박판이 절곡되어, 접촉부(121) - 연결부(123) - 고정부(122)가 순차적으로 연결된 형태로 이루어진다. 상기 접촉부(121)는 상기 돌출부(112)의 상면에 면접촉하여 구비되며, 상기 접촉부(121)가 상기 쓰러스트 베어링(100)이 받치고자 하는 축 쪽으로 노출되는 면이 된다. 상기 접촉부(121)의 표면에는 코팅이 이루어짐으로써 마찰계수를 낮추고, 공기압이 형성되도록 하여 비접촉 회전을 구현할 수 있다. (탑 포일에서의 공기압 형성으로 인한 비접촉 회전 구현의 원리는 에어포일 쓰러스트 베어링의 원리와 유사하므로 여기에서는 설명을 생략한다.) 상기 고정부(122)는 상기 홈부(113)에 삽입 고정되어 상기 탑 포일(120)을 상기 댐퍼 바디(110)와 결합시키는 역할을 한다. 상기 연결부(123)는 상기 접촉부(121) 및 상기 고정부(122)를 연결하는 부분으로서, 상기 댐퍼 바디(110)의 형상에 맞게 적절히 절곡되어 이루어질 수 있다.

본 발명에서 중요한 것은, 상기 댐퍼 바디(110)가 메탈 메쉬(metal mesh) 재질로 이루어진다는 점이다. 종래의 에어포일 쓰러스트 베어링의 경우, 탑 포일 하부에 범프 포일이 구비되어 이루어졌다. 그런데 앞서 설명한 바와 같이, 범프 포일은 박판에 요철 형상을 형성하는 등의 구조물로 이루어짐으로써 탄성체 역할을 하도록 되는 것이기 때문에, 내구성이 상당히 취약하여 하중이 큰 고속 회전체의 축받침에 부적당했다. 뿐만 아니라 좁은 면적에 범프 형상을 형성하는 것이 난해한 등의 문제 또한 있어, 베어링의 소형화 및 경량화에도 상당한 제한이 있었다.

그러나 본 발명에서는, 종래의 에어포일 쓰러스트 베어링의 범프 포일을 삭제하고, 메탈 메쉬로 이루어지는 댐퍼 바디(110)가 이 범프 포일의 탄성체 역할을 대신하도록 하고 있다. 메탈 메쉬는 말 그대로 금속선이 그물 형태로 얽혀 있는 구조물로서, 탄성을 가지고 있고 내구성이 높다. 메탈 메쉬로 된 상기 댐퍼 바디(110)는 축 방향 하중을 지지함과 동시에 축 방향 진동을 흡수해 주게 된다. 상기 댐퍼 바디(110)의 상기 돌출부(112) 부분에 상기 탑 포일(120)의 상기 접촉부(121)가 면접촉하여 이루어지는 부분이 바로 축받침 부분이 되는데, 종래에 탑 포일 하부에 내구성이 취약한 범프 포일이 구비되었던 것과는 달리, 본 발명에서는 이처럼 상기 탑 포일(120) 하부에 메탈 메쉬 재질로 된 상기 돌출부(112)가 구비되어 있음으로써, 종래에 비해 훨씬 높은 내구성을 가지는 쓰러스트 베어링을 실현할 수 있게 된다.

뿐만 아니라 메탈 메쉬는 프레스로 찍는 공정 등을 통해 형상 가공도 상당히 용이하다는 장점이 있다. 즉 상기 댐퍼 바디(110)의 형상이 다소 복잡해진다 해도, 여러 부품들을 조립해서 그 형상을 만들어야 할 필요가 전혀 없이, 일체의 메탈 메쉬 덩어리를 조형함으로써 상기 댐퍼 바디(110)를 제작할 수 있어, 제작 공정이 훨씬 간편해지고 부품 수도 훨씬 줄어들게 된다. 더불어 이처럼 제작 용이성 및 부품 수, 조립 공정 수 저감 등의 요인에 의하여, 종래에 비해 쓰러스트 베어링을 훨씬 소형화 및 경량화할 수 있게 된다. 이에 따라 기존에 종래의 쓰러스트 베어링 사용이 어려웠던 마이크로 가스 터빈 등과 같은 소형 장치에도 활용이 가능하다는 큰 장점이 있다.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 쓰러스트 베어링(100)은, 기본적으로 단 두 종류의 부품, 즉 상기 댐퍼 바디(110)와 상기 탑 포일(120)만으로 이루어질 수 있기 때문에, 종래에 비해 부품 수가 비약적으로 줄어들게 된다. 물론 이에 따라 조립 공정 또한 비할 바 없이 간편해질 수 있다.

본 발명에서 상기 댐퍼 바디(110)와 상기 탑 포일(120)의 결합은, 상기 홈부(113)와 상기 고정부(122)의 결합에 의하여 이루어지게 된다. 가장 간단하게는, 상기 고정부(122)가 상기 홈부(113)에 끼움 결합되어 고정되거나, 상기 홈부(113)에 삽입되어 접착 고정되도록 할 수 있다. 상기 고정부(122)가 상기 홈부(113)에 끼움 결합되어 고정될 경우, 고정력을 보다 높이기 위해 적절한 형태로 상기 고정부(122)가 절곡된 형상으로 이루어지도록 할 수도 있다. 이 경우에는 별도의 그 어떤 부품이 필요하지 않으며, 따라서 그야말로 최소한의 부품만으로 쓰러스트 베어링(100)을 구성할 수 있다.

상기 댐퍼 바디(110)와 상기 탑 포일(120)의 결합을 보다 견고하게 하기 위하여, 상기 쓰러스트 베어링(100)은 고정핀(130)을 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 상기 고정핀(130)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 홈부(113)에 삽입된 상기 고정부(122)를 지지하도록, 상기 홈부(113)에 끼움 결합된다. 이 때 상기 고정핀(130)의 형상은 단지 상기 홈부(113)에 끼움 결합 가능한 형상이기만 하면 된다. 또한 그 조립 공정은 단순히 상기 고정핀(130)을 상기 홈부(113)에 눌러 끼우기만 하면 되는 것이기 때문에, 상기 고정핀(130)이 추가 구성된다 하더라도 종래에 비해서는 훨씬 조립 공정이 간단함은 마찬가지이다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링
110: 댐퍼 바디 111: 몸체부
112: 돌출부 113: 홈부
120: 탑 포일 121: 접촉부
122: 고정부 123: 연결부
130: 고정핀 P: 단위 칼라

Claims (4)

1. 쓰러스트 베어링(100)에 있어서,
   몸체부(111), 상기 몸체부(111) 일부 영역에서 상측으로 돌출 형성되며 상면이 평면을 이루도록 형성되는 돌출부(112), 상기 몸체부(111) 일측에 함몰 형성되는 홈부(113)를 포함하며, 메탈 메쉬 재질로 이루어지는 댐퍼 바디(110);
   상기 돌출부(112)의 상면에 면접촉하는 접촉부(121), 상기 홈부(113)에 삽입 고정되는 고정부(122), 상기 접촉부(121) 및 상기 고정부(122)를 연결하는 연결부(123)를 포함하며, 일체의 박판이 절곡되어 이루어지는 탑 포일(120);
   을 포함하여 이루어지며,
   상기 탑 포일(120)의 상기 접촉부(121)는 상기 댐퍼 바디(110)의 상기 돌출부(112)와 동일한 형상으로 형성되어, 상기 접촉부(121) 전체 면적이 상기 돌출부(112) 전체 면적과 완전히 면접촉함으로써 상기 접촉부(121)가 상기 돌출부(112)에 의하여 지지되는 것을 특징으로 하는 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 쓰러스트 베어링(100)은
   상기 댐퍼 바디(110)가, 상기 몸체부(111), 상기 돌출부(112), 상기 홈부(113)로 이루어지는 단위 칼라(P)가 적어도 둘 이상 방사상으로 배치된 형태로 이루어지며,
   상기 탑 포일(120)이 상기 단위 칼라(P)의 개수만큼 구비되는 것을 특징으로 하는 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 고정부(122)는
   상기 홈부(113)에 끼움 결합되어 고정되거나, 상기 홈부(113)에 삽입되어 접착 고정되는 것을 특징으로 하는 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 쓰러스트 베어링(100)은
   상기 홈부(113)에 삽입된 상기 고정부(122)를 지지하도록, 상기 홈부(113)에 끼움 결합되는 고정핀(130);
   을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 메탈 메쉬 포일 쓰러스트 베어링.

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