KR101497970B1 - 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 베어링이 구비되는 회전축의 하중을 효과적으로 분산시켜 궁극적으로는 베어링의 파손을 방지하여 내구성 및 수명을 증대시키는, 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링을 제공함에 있다.

Description

멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링 {Two-side air-foil bearing having multi-damper}

본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 댐퍼가 다중으로 구성되며 양방향 회전 모두에 사용 가능하게 형성되는 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링에 관한 것이다.

회전 또는 왕복 운동과 같은 움직임이 있는 부품(회전축, 이동축 등)에 있어서, 부품의 운동 과정에서 일어나는 마찰 때문에 발생될 수 있는 부품 마모나 손상 문제, 소음 문제, 에너지 낭비 문제 등과 같은 문제들을 해소하기 위하여 다양한 종류의 베어링이 구비되고 있다. 일반적으로 널리 사용되는 베어링에는 미끄럼 베어링(sliding bearing)과 구름 베어링(rolling bearing)이 있는데, 미끄럼 베어링은 축을 둘러싼 형태로 되어 베어링과 접촉하는 부분에 윤활유가 개재되어 있도록 한 형태로 되고, 구름 베어링은 베어링과 접촉하는 부분에 볼, 롤러 등과 같이 회전 가능한 부품들이 들어가 있어서 마찰을 최소화하도록 형성된다.

이러한 일반적인 베어링은 접촉식 베어링으로서 상술한 바와 같이 접촉되는 부분이 윤활되도록 하거나 접촉 부위가 회전되도록 하는 방식으로 마찰력을 최소화시키도록 이루어지는데, 실질적으로 접촉식 베어링의 경우 접촉 자체가 없어지지 않기 때문에 마찰력을 줄이는 데에 한계가 있는 것이 사실이다. 또한 최근 회전체의 요구 회전 속도가 높아지거나, 요구되는 진동 또는 열적 안정성 등의 조건이 더욱 높아지고 있는 실정이기 때문에, 비접촉식 베어링에 대한 필요 및 요구가 점점 늘어나고 있다. 실제로 이미 회전축과 직접 접촉하지 않는 자기 베어링, 에어 포일 베어링 등과 같은 비접촉식 베어링이 개발되어 다양한 분야에서 사용되어 오고 있다.

비접촉식 베어링 중 자기 베어링의 경우 마찰력 저감 효과가 높고 다양한 제어가 가능하다는 장점이 있는 반면, 구성 부품 수가 많고 설계가 복잡하며 전자기력 제어를 위한 별도의 동력이 필요하여 제작 및 운용에 드는 비용이 높아지는 등의 단점도 있다. 반면 비접촉식 베어링 중 에어 포일 베어링은 그 구조가 간단하면서도 효과적으로 비접촉 상태를 형성하여 마찰력 저감 효과를 얻을 수 있어 현재 널리 사용되고 있다. 에어 포일 베어링의 구조 또는 원리는 이미 널리 알려져 있으며, 한국특허공개 제2012-0009724호("하이브리드 공기포일 베어링", 2012.02.02) 등에도 잘 나타나 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

그런데, 에어 포일 베어링의 경우 범프가 형성된 얇은 포일 등과 같은 부품들로 이루어지기 때문에 부품 자체의 강성이 낮아 운용 중 손상이 발생할 위험성이 높다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해소하기 위하여 "메탈메쉬 구조체를 이용한 공기 포일 베어링"(김태영, 석사학위논문, 2010. 12.) 등과 같은 연구에서, 에어 포일 베어링의 일부 부품을 메탈 메쉬(metal mesh) 소재 부품으로 대체함으로써 에어 포일 베어링에서의 구조적 약점을 개선하고자 하는 시도가 있어 왔으나, 아직까지 현장에 적용될 만큼의 연구가 이루어져 있지는 않은 실정이다.

특히 현장에서 사용되는 베어링의 경우, 베어링 전체적으로 하중이 고르게 분산되는 것이 아니라 실제로는 회전축의 회전 방향 등에 따라 하중이 양 끝단 등으로 집중되기 때문에, 설계와는 달리 실제 운용 시에는 예상치 못한 부분에서의 손상 및 파손이 더욱 많이 발생하는 등의 문제가 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 베어링 구조 개선에 대한 요구가 꾸준히 있어 왔다.

1. 한국특허공개 제2012-0009724호("하이브리드 공기포일베어링", 2012.02.02)

1. "메탈메쉬 구조체를 이용한 공기 포일 베어링"(김태영, 석사학위논문, 2010. 12.)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 베어링이 구비되는 회전축의 하중을 효과적으로 분산시켜 궁극적으로는 베어링의 파손을 방지하여 내구성 및 수명을 증대시키는, 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링은, 회전축(500)이 수용되도록 하우징 중공(111)이 형성된 원통 형상으로 이루어지는 하우징(110); 미리 결정된 피치로 일정하게 배열되며 상기 회전축(500)의 연장 방향으로 연장되는 산 및 골을 가지는 주름판 형태로 형성되어 상기 하우징 중공(111) 내주면에 접촉되도록 배치되는 스프링 댐퍼들이, 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 적어도 둘 이상 직렬 배치되어 이루어지는 스프링 댐퍼 세트(120); 메탈 메쉬 재질로 이루어지며, 상기 회전축(500)이 수용되도록 댐퍼 중공(131)이 형성된 원통 형상으로 이루어지고, 상기 스프링 댐퍼 세트(120)의 내주면에 접촉되도록 구비되는 메탈 댐퍼(130); 박판 형태로 형성되어 상기 댐퍼 중공(131) 내주면에 접촉되도록 배치되는 탑 포일(140); 을 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때 상기 스프링 댐퍼 세트(120)는, 제1스프링 댐퍼(121), 제2스프링 댐퍼(122), 제3스프링 댐퍼(123)가 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 직렬 배치되어 이루어지되, 상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)의 피치는 서로 동일하며, 상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치는 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 피치보다 작게 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 스프링 댐퍼 세트(120)는, 상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치 : 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 피치 비 값이 1 : 2 내지 1 : 5 범위 내의 값으로 형성될 수 있다.

또한 상기 스프링 댐퍼 세트(120)는, 상기 제1스프링 댐퍼(121) 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)의 강성이 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 강성보다 크게 형성될 수 있다. 이 때 상기 스프링 댐퍼 세트(120)는, 상기 제1스프링 댐퍼(121), 상기 제2스프링 댐퍼(122), 상기 제3스프링 댐퍼(123)는 동일 금속 재질로 이루어지되, 상기 제1스프링 댐퍼(121) 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)가 열처리 공정에 의하여 상기 제2스프링 댐퍼(122)보다 높은 강성을 가지도록 형성될 수 있다.

또한 상기 탑 포일(140)은, 상기 댐퍼 중공(131) 내주면에 접촉되는 포일면(141), 상기 포일면(141)의 일측 끝단에 형성되며 상기 포일면(141)으로부터 벤딩되어 상기 메탈 댐퍼(130)에 끼워져 고정되는 제1고정부(142), 상기 포일면(141)의 타측 끝단에 형성되며 상기 제1고정부(142)와 대칭되게 상기 포일면(141)으로부터 벤딩되어 상기 메탈 댐퍼(130)에 끼워져 고정되는 제2고정부(143)를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)는, 상기 포일면(141)의 끝단으로부터 적어도 1회 이상 벤딩된 형태로 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 기존의 에어 포일 베어링이나 단순히 메탈 메쉬 소재를 적용한 포일 베어링과는 달리, 메탈 메쉬로 이루어지는 메탈 댐퍼 및 스프링 댐퍼(범프 포일)를 이중 배치함으로써 기존의 베어링에 비하여 강성이 보다 강화되는 큰 효과가 있다. 뿐만 아니라 이처럼 메탈 댐퍼 및 스프링 댐퍼가 이중 배치됨으로써 기존의 베어링에 비하여 마찰력 저감 및 진동 흡수 효과도 더욱 높아지는 효과 또한 있다.

무엇보다도 본 발명에 의하면, 회전축 연장 방향에 따라 엠보싱 간격이 다른 다종의 스프링 댐퍼들을 직렬 배치함으로써, 종래의 에어 포일 베어링의 경우 실제 운용 시 회전축 하중이 한쪽으로 쏠리는 현상에서 기인한 특정 부위 베어링 손상 및 파손 문제를 크게 개선할 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링은 회전축 연장 방향에 따라 엠보싱 간격이 다른 다종의 스프링 댐퍼들을 직렬 배치하되, 양쪽 끝단에 배치되는 스프링 댐퍼들에 엠보싱 간격이 더 좁게 형성되도록 함으로써 강성을 강화시킨다. 또한 이 때 베어링 중간 부분에 엠보싱 간격이 상대적으로 보다 넓은 스프링 댐퍼가 배치되는 구성을 통해, 불필요한 중량 증가를 막고 제품 전체 중량을 낮출 수 있다.

회전축은 정상 동작 시에는 쏠림 현상이 그리 크지 않으나 런아웃 발생 시 베어링의 (회전축 연장 방향에 따른) 양쪽 끝단 부분에 걸리는 하중이 급증하게 된다. 이 때 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 경우 양쪽 끝단에 배치되는 스프링 댐퍼의 강성이 강화됨으로써 이러한 런아웃 동작 시의 베어링 파손 문제를 훨씬 완화할 수 있는 효과가 있는 것이다. 즉 궁극적으로 본 발명에 의하면 베어링의 내구성 및 수명을 기존에 비해 훨씬 연장할 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 탑 포일이 메탈 댐퍼에 의하여 고정되기 때문에 보다 견고한 고정이 이루어질 수 있을 뿐 아니라, 탑 포일의 고정부 부분이 정회전 및 역회전 양방향 모두에 대하여 저항력을 가질 수 있도록 대칭형으로 형성됨으로써, 정회전하는 회전축 또는 역회전하는 회전축 어디에나 사용할 수 있어 호환성이 뛰어나다는 큰 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링 일실시예의의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 멀티 댐퍼형 에어포일 베어링의 일실시예의 정면도.
도 3은 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 일실시예의 측단면도.
도 4는 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 일실시예의 B-B' 단면도.
도 5는 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 일실시예의 C-C' 단면도.
도 6은 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 탑 포일 고정부의 여러 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 일실시예의 분해 사시도이며, 도 2는 본 발명의 멀티 댐퍼형 에어포일 베어링의 일실시예의 정면도이고, 도 3은 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 일실시예의 측단면도이다. 또한 도 4는 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 일실시예의 B-B' 단면도이고, 도 5는 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 일실시예의 C-C' 단면도이다. 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링(100), 도면에 나타난 바와 같이 하우징(110), 스프링 댐퍼 세트(120), 메탈 댐퍼(130), 탑 포일(140)을 포함하여 이루어진다. 이하 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 하우징(110)은 도시된 바와 같이 회전축(500)이 수용되도록 하우징 중공(111)이 형성된 원통 형상으로 이루어진다. 상기 하우징(110)은 기존의 에어 포일 베어링을 구성하는 하우징과 그 기능 또는 형상 등에 있어 특별히 다르지 않다. 상기 하우징(110)은 이하 설명될 각 부품들을 내부에 수용하여 각각의 위치를 고정하며, 또한 다른 장치와의 연결이 이루어지는 부품이므로, 금속재 등과 같은 견고한 재질로 이루어지는 것이 일반적이다. 상기 하우징(110) 내에 수용되는 상기 회전축(500)이 원기둥형이므로 상기 하우징(110) 역시 이에 상응하도록 기본적으로는 중공을 갖는 원통형으로 형성되나, 물론 상술한 바와 같이 다른 장치와의 연결을 용이하게 하기 위하여 외주면에 연결 부재가 별물 또는 일체형으로 더 구비될 수도 있고, 또는 상기 하우징 중공(111)은 원형 단면을 유지하되 외주면 단면은 사각형, 육각형 등과 같이 다른 형상을 가지도록 다양하게 설계 변경될 수 있다.

상기 스프링 댐퍼 세트(120)는, 적어도 둘 이상의 스프링 댐퍼들이 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 적어도 둘 이상 직렬 배치되어 이루어진다. 상기 스프링 댐퍼 세트(120)를 구성하는 각각의 상기 스프링 댐퍼는, 도 1 등에 도시된 바와 같이, 미리 결정된 피치로 일정하게 배열되며 상기 회전축(500)의 연장 방향으로 연장되는 산 및 골을 가지는 주름판 형태로 형성된다. 또한 각각의 상기 스프링 댐퍼는, 도 2 등에 도시된 바와 같이, 상기 하우징 중공(111) 내주면에 접촉되도록 배치된다. 도면에 나타난 실시예에서는 상기 스프링 댐퍼 세트(120)가 3개의 스프링 댐퍼들로 이루어지고 있으며, 이에 대해서는 이후 보다 구체적으로 상세히 설명한다.

상기 메탈 댐퍼(130)는 재질적으로는 메탈 메쉬 재질로 이루어지며, 형상적으로는 상기 회전축(500)이 수용되도록 댐퍼 중공(131)이 형성된 원통 형상으로 이루어진다. 이러한 상기 메탈 댐퍼(130)는 상기 스프링 댐퍼 세트(120)의 내주면에 접촉되도록 구비된다. 메탈 메쉬(metal mesh)란 금속 와이어들이 엮어져 만들어지는 다공성 금속 구조체를 이르는 말로서, 금속 와이어들이 일정한 패턴을 가지며 편직 형태로 이루어지기도 하고, 무작위적인 길이 및 형태를 가지는 금속 와이어들이 압착에 의하여 합쳐져 이루어지기도 하는 등, 다양한 형태로서 제공되고 있다. 이러한 메탈 메쉬 재질은, 기본적으로 금속 와이어로 이루어지기 때문에 상당한 강성이 보장되며, 또한 다공성 구조로 이루어지므로 진동 흡수 성능이 매우 뛰어나다. 또한 프레스 압착 성형에 의하여 다양한 형상을 원하는 대로 만드는 것이 자유로워, 제작 용이성 및 경제성 또한 매우 높다. 상기 메탈 댐퍼(130)는 바로 이러한 메탈 메쉬 재질로 이루어짐으로써, 진동의 흡수 및 하중의 분산이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다.

상기 탑 포일(140)은 박판 형태로 형성되어 상기 댐퍼 중공(131) 내주면에 접촉되도록 배치되며, 실질적으로 상기 회전축(500)과 가장 근접한 부품이다. 상기 탑 포일(140)의 기능 및 형상 등은 (상기 하우징(110)과 마찬가지로) 기존의 에어 포일 베어링에 구비되는 탑 포일과 크게 다르지 않으므로, 상세한 설명은 생략한다.

일반적으로 에어 포일 베어링은 하우징, 범프 포일, 탑 포일을 포함하여 이루어진다. 그런데 앞서 설명한 바와 같이 범프 포일은 다수 개의 범프(요철, 엠보싱 등으로도 칭해질 수 있다)가 형성된 박판이기 때문에 그 자체의 구조적 강성이 상당히 낮으며, 따라서 런아웃 동작 등과 같은 비정상적인 동작 시에 지나친 하중에 의하여 손상이 발생할 위험성이 매우 높았다.

반면 본 발명의 멀티 댐퍼 베어링(100)은, 기존의 에어 포일 베어링에서 범프 포일에 해당하는 위치에, 도 2의 정면도에 도시되어 있는 바와 같이 스프링 댐퍼 세트(120) 및 메탈 댐퍼(130)가 적층 구비된다. 상술한 바와 같이 메탈 댐퍼(130)는 메탈 메쉬 재질로 이루어지기 때문에 그 구조적 강성이 일반적인 범프 포일에 비하여 상대적으로 훨씬 강하며, 또한 진동 흡수 성능 역시 매우 뛰어나다. 즉, 본 발명에서는 (기존의 범프 포일에 상응하는) 스프링 댐퍼 세트(120)와 메탈 댐퍼(130)를 동시에 적층 구비함으로써, 기존의 에어 포일 베어링에 비하여 구조적 강성 및 진동 흡수 성능 등을 훨씬 향상시킬 수 있는 것이다.

더불어 메탈 댐퍼(130)의 벽 두께 등을 적절하게 결정함으로써 진동 흡수 성능 등을 조절할 수도 있을 뿐만 아니라, 베어링(100)이 설치되는 회전축(500)의 직경이 달라지는 경우라 하더라도 메탈 댐퍼(130) 형상 조절을 통해 베어링(100)을 구성하는 하우징, 스프링 댐퍼 등의 다른 부품들은 그대로 활용하면서도 변경된 회전축에 적용 가능한 베어링을 용이하게 제작할 수 있어 호환성이 높아지는 등, 다양한 부가 효과도 얻을 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명에서는 상기 스프링 댐퍼 세트(120)를 다음과 같이 구성함으로써 런아웃 동작 등과 같이 비정상적인 동작으로 인하여 회전축(500)이 정위치를 이탈함으로써 하중이 편중되는 경우를 대비할 수 있는 성능을 얻을 수 있다. 이하 도면에 나타난 바와 같은 상기 스프링 댐퍼 세트(120)의 일실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도면에 나타난 일실시예에서 상기 스프링 댐퍼 세트(120)는 3개의 스프링 댐퍼로 이루어진다. 즉 제1스프링 댐퍼(121), 제2스프링 댐퍼(122), 제3스프링 댐퍼(123)가 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 직렬 배치되어 이루어지는 것이다. 이 때, 본 발명에서는 상기 스프링 댐퍼 세트(120)에서, 상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)의 피치는 서로 동일하며, 상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치는 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 피치보다 작게 형성되도록 하고 있다. 보다 구체적으로는, 상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치 : 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 피치 비 값이 1 : 2 내지 1 : 5 범위 내의 값으로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

스프링 댐퍼의 피치가 클수록 상기 스프링 댐퍼 상에 형성된 산과 골의 간격이 넓어지며, 스프링 댐퍼의 피치가 작을수록 상기 스프링 댐퍼 상에 형성된 산과 골의 간격이 좁아지게 된다. 도 4는 제1스프링 댐퍼(121) 또는 제3스프링 댐퍼(123)가 구비되는 부분, 즉 B-B' 단면을 보이고 있고, 도 5는 제2스프링 댐퍼(122)가 구비되는 부분, 즉 C-C' 단면을 보이고 있다. 보이는 바와 같이 본 발명에서는, 상기 베어링(100)에서 상기 회전축(500) 연장 방향으로 볼 때 양측 끝단부에 구비되는 스프링 댐퍼들의 요철(즉 산과 골)이 보다 촘촘하게 형성되도록 하고 있는 것이다.

스프링 댐퍼의 요철이 촘촘하게 이루어질수록 댐핑 능력 및 강성이 향상되는 것은 물론이나, 반면 부품의 중량이 커지고 재료비가 상승하게 되는 문제도 있는 것이 사실이다. 따라서 스프링 댐퍼의 요철 피치는 이러한 요인들을 고려하여 적절하게 최적값을 찾아 설계하게 된다. 한편 앞서 설명한 바와 같이 런아웃 동작 등과 같이 회전축이 정위치를 이탈하여 흔들린다든가 하는 비정상적인 동작이 일어날 때, 이러한 비정상적인 하중은 일반적으로 베어링의 (회전축 연장 방향에서 볼 때의) 어느 한 쪽 끝단부에 중점적으로 실리게 된다. 어느 쪽 끝단부에 이 하중이 편중되느냐는 회전축의 회전 방향에 따라 결정되며, 즉 일방향으로만 회전하는 것이 아니라 정회전 및 역회전이 이루어지는 회전축의 경우에는 하중이 편중되는 현상이 양쪽 끝단부 모두에서 일어난다. 이와 같이 편중된 하중이 걸리게 되면, 원래 정상적인 동작 환경을 고려하여 결정하였던 스프링 댐퍼가 견딜 수 있는 강성 범위를 넘어서게 될 수 있다. 또는 각 회당 걸리는 하중 자체는 스프링 댐퍼가 견딜 수 있는 강성 범위 내라고 하더라도, 지속적으로 해당 부위의 피로가 누적되게 된다. 즉 결국은 베어링 양측 끝단부에서 스프링 댐퍼의 손상 발생 확률이 매우 높아지게 되는 것이다.

이러한 문제를 고려하여, 런아웃 동작 시에 걸리는 하중을 견딜 수 있을 만큼 스프링 댐퍼의 요철을 촘촘하게 설계할 수도 있다. 그런데 이와 같이 하면 실질적으로 이러한 비정상적인 하중은 베어링 중간 부분에는 전혀 걸리지 않기 때문에, 베어링 중간부에는 불필요하게 과도하게 밀집된 요철이 형성되게 되며, 결국 불필요한 부품 중량 증가 및 제작 비용 상승 등의 문제를 발생시키게 된다. 또한 런아웃 동작 시 발생되는 비정상적인 하중은 실질적으로 비선형 및 예측 불가능한 동작이기 때문에, 이를 이론적으로 고려하여 설계하는 것이 난해하다는 문제 또한 있다.

무엇보다도, 이와 같이 스프링 댐퍼의 양측 끝단부에 손상이 일어날 경우, 결과적으로는 스프링 댐퍼를 완전히 교체하여야 하는데, 상술한 바와 같이 베어링 중간 부분에는 손상이 발생되지 않기 때문에, 결과적으로는 재료의 낭비, 운용 비용 상승 등의 문제로 이어지게 된다.

본 발명에서는 바로 이러한 문제를 해결할 수 있도록, 스프링 댐퍼 세트(120)가 3개의 부분, 즉 베어링의 양측 끝단부와 중간 부분 각각에 별도의 스프링 댐퍼들(121)(122)(123)이 구비되도록 하고 있다. 베어링의 양측 끝단부에 구비되는 제1스프링 댐퍼(121) 및 제3스프링 댐퍼(123)는, 상술한 바와 같이 런아웃 동작 등과 같은 문제에 대비할 수 있도록 요철의 피치가 작게, 즉 요철이 촘촘하게 형성되게 함으로써 강성이 향상된다. 한편 베어링의 중간 부분에 구비되는 제2스프링 댐퍼(122)는, 상술한 바와 같이 런아웃 동작 등과 같은 비정상적인 동작 발생 시에도 손상 위험이 거의 없는 부분이기 때문에, 불필요한 재료의 낭비 및 중량 증가 등을 배제할 수 있도록, 상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치는 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 피치보다 작게 형성되게 하는 것이다. 이 때, 런아웃 동작 등과 같은 비정상적인 동작이 영향을 끼치는 범위를 고려하여, 상기 제1스프링 댐퍼(121)의 길이 내지 상기 제3스프링 댐퍼(123)의 길이는 거의 서로 동일하게 형성되게 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 이러한 구성에 의하여, 비정상 동작 시 회전축 하중이 베어링 양측 끝단에 편향적으로 부가되는 경우, 양측 끝단부에 위치한 스프링 댐퍼들(121)(123)의 강성이 중간 부분에 위치한 스프링 댐퍼(122)의 강성보다 높게 형성됨으로써 효과적으로 손상 발생 위험성을 낮출 수 있고, 또한 동시에 손상 발생 가능성이 없는 베어링 중간 부분에서의 불필요한 중량 증가 등의 문제 또한 배제할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 결국 양측 끝단부에 위치한 스프링 댐퍼(121)(123)에 손상이 발생한다 하더라도, 손상이 일어나지 않은 중간 부분의 스프링 댐퍼(122)는 그대로 두고 손상이 발생한 스프링 댐퍼만 교체해 주면 되기 때문에, 교체에 드는 비용 또한 기존에 비해 훨씬 줄어들게 되는 경제적인 효과도 있다.

더불어, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 스프링 댐퍼 세트(120)와 메탈 댐퍼(130)가 적층 구비되도록 하고 있기 때문에, 실질적으로 하중은 메탈 댐퍼(130)를 한 번 거친 후 스프링 댐퍼들(121)(122)(123)으로 부가되게 된다. 이 때 메탈 댐퍼(130)는 일체형으로 되어 있으며 수많은 금속 와이어들이 엉켜져 있는 형상으로 이루어져 있기 때문에, 하중이 편향되거나 급작스러운 충격이 발생되더라도 이것이 부드럽게 분산될 수 있도록 해 주는 역할을 하게 된다. 따라서 결과적으로 스프링 댐퍼들(121)(122)(123)로 전달되는 하중 또는 충격은 훨씬 완화된 형태가 되는 것이다. 따라서 스프링 댐퍼(121)(122)(123)의 손상 발생 위험성은 더욱 저감될 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 베어링의 양측 끝단부에 위치하는 스프링 댐퍼들이 더욱 높은 강성을 가지도록 요철 피치를 작게 하는 구성을 취하고 있다. 그런데, 상기 제1스프링 댐퍼(121) 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)의 강성이 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 강성보다 크게 형성되도록 하기 위해서는 요철 피치의 조절 이외에도 다른 방법을 사용할 수도 있다. 예를 들어 상기 제1스프링 댐퍼(121) 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)의 강성이 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 강성보다 크게 형성되도록, 그 재질을 달리할 수도 있다. 또는, 상기 제1스프링 댐퍼(121), 상기 제2스프링 댐퍼(122), 상기 제3스프링 댐퍼(123)는 동일 금속 재질로 이루어지되, 상기 제1스프링 댐퍼(121) 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)가 열처리 공정에 의하여 상기 제2스프링 댐퍼(122)보다 높은 강성을 가지도록 형성되게 할 수도 있다.

더불어 본 발명의 베어링은, 상기 탑 포일(140)의 고정부 형상에 의하여 상기 회전축(500)의 회전 방향에 구애받지 않을 수 있도록 형성된다. 본 발명에서, 상기 탑 포일(140)은 상기 댐퍼 중공(131) 내주면에 접촉되는 포일면(141)과, 상기 포일면(141)의 양측 끝단에서 각각 벤딩되어 형성되는 제1고정부(142) 및 제2고정부(143)를 포함하여 이루어진다. 보다 상세하게는, 상기 제1고정부(142)는 상기 포일면(141)의 일측 끝단에 형성되며 상기 포일면(141)으로부터 벤딩되어 상기 메탈 댐퍼(130)에 끼워져 고정되며, 상기 제2고정부(143)는 상기 포일면(141)의 타측 끝단에 형성되며 상기 제1고정부(142)와 대칭되게 상기 포일면(141)으로부터 벤딩되어 상기 메탈 댐퍼(130)에 끼워져 고정된다. 다시 말해 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)는 서로 대칭되는 형상으로 이루어져 상기 메탈 댐퍼(130)에 끼워지도록 형성되는 것이다. 이 때 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)는, 상기 포일면(141)의 끝단으로부터 적어도 1회 이상 벤딩된 형태로 형성될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같은 본 발명의 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링의 탑 포일 고정부의 여러 실시예를 통해 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)의 형상에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6(A) 및 도 6(B)는 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)가 상기 포일면(141)의 끝단으로부터 1회 벤딩된 형태로 형성되는 실시예를 도시하고 있다. 도 6(A)의 경우 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)는, 상기 포일면(141)으로부터 벤딩되어 이루어지는 면이 베어링 반경 방향과 나란한 방향을 이룸으로써, 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)가 거의 면접촉되는 형태로 이루어진다. 한편 도 6(B)의 경우 도 6(A)의 실시예와 유사한 형상을 이루되, 상기 포일면(141)으로부터 벤딩되어 이루어지는 면이 베어링 반경 방향에 대하여 어느 정도 경사를 가지도록 형성됨으로써, 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)가 점접촉 또는 접촉하지 않는 형태로 이루어진다.

도 6(C) 및 도 6(D)는 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)가 상기 포일면(141)의 끝단으로부터 2회 벤딩된 형태로 형성되는 실시예를 도시하고 있다. 도 6(C)의 경우 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)는 (상기 포일면(141)과 연결되어) ㄷ자 형상을 이루되, 상기 포일면(141)으로부터 첫 번째 벤딩되어 이루어지는 면이 베어링 반경 방향과 나란한 방향을 이룸으로써, 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)의 일부가 거의 면접촉되는 형태로 이루어진다. 한편 도 6(D)의 경우 도 6(C)의 실시예와 유사한 형상을 이루되, 상기 포일면(141)으로부터 첫 번째 벤딩되어 이루어지는 면이 베어링 반경 방향에 대하여 어느 정도 경사를 가지도록 형성됨으로써, 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)가 점접촉 또는 접촉하지 않는 형태로 이루어진다. 도 6(C) 및 도 6(D)의 실시예는 도 6(A) 및 도 6(B)의 실시예에 비하여 1회 더 벤딩된 부분을 가지고 있기 때문에, 상기 탑 포일(140)이 상기 메탈 댐퍼(130)에 더욱 견고하게 고정될 수 있다.

이처럼 본 발명에서는, 상기 탑 포일(140)에 있어서 고정부가 2개 형성되며, 또한 이 고정부들이 서로 대칭되는 형상으로 이루어진다. 기존의 에어 포일 베어링에서는 이러한 고정부가 포일면의 어느 한 쪽 끝단에 1개만 형성되는 것이 일반적이었으며, 이에 따라 회전축의 회전 방향에 따라 탑 포일 고정부가 저항력을 강하게 가지는 방향과 그렇지 못한 방향이 나뉘게 되었다. 이에 따라 기존에는 정회전용 베어링을 역회전 회전축에 구비시킬 경우(또는 그 반대의 경우) 탑 포일의 고정되지 않은 부분이 쓸려서 손상되는 문제가 있었다. 이러한 문제 때문에 기존에는 회전축의 회전 방향에 따라 그 방향에 맞는 에어 포일 베어링을 구비하여야만 했으며, 정회전 및 역회전 양방향의 회전이 모두 이루어지는 회전축에 대해서는 서로 다른 방향의 두 베어링을 병렬 구비하여야 하여 공간의 낭비 등의 불편함이 있었다. 그러나 본 발명의 경우 상기 탑 포일(140)의 고정부가 서로 대칭되게 2개 형성됨으로써, 정회전 및 역회전 양방향 모두에서 고정부의 저항력이 강하게 작용할 수 있게 된다. 즉 본 발명의 베어링은 회전축이 어느 방향으로 회전하는지와 무관하게, 양방향 모두에 사용 가능하게 되는 바, 기존의 에어 포일 베어링에 비하여 훨씬 뛰어난 호환성을 가진다.

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) 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링
110: 하우징 111: 하우징 중공
120: 스프링 댐퍼 세트 121: 제1스프링 댐퍼
122: 제2스프링 댐퍼 123: 제3스프링 댐퍼
130: 메탈 댐퍼
140: 탑 포일 141: 포일면
142: 제1고정부 143: 제2고정부
500: 회전축

Claims (7)

1. 회전축(500)이 수용되도록 하우징 중공(111)이 형성된 원통 형상으로 이루어지는 하우징(110);
   미리 결정된 피치로 일정하게 배열되며 상기 회전축(500)의 연장 방향으로 연장되는 산 및 골을 가지는 주름판 형태로 형성되어 상기 하우징 중공(111) 내주면에 접촉되도록 배치되는 스프링 댐퍼들이, 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 적어도 둘 이상 직렬 배치되어 이루어지는 스프링 댐퍼 세트(120);
   메탈 메쉬 재질로 이루어지며, 상기 회전축(500)이 수용되도록 댐퍼 중공(131)이 형성된 원통 형상으로 이루어지고, 상기 스프링 댐퍼 세트(120)의 내주면에 접촉되도록 구비되는 메탈 댐퍼(130);
   박판 형태로 형성되어 상기 댐퍼 중공(131) 내주면에 접촉되도록 배치되는 탑 포일(140);
   을 포함하여 이루어지며,
   상기 스프링 댐퍼 세트(120)는
   제1스프링 댐퍼(121), 제2스프링 댐퍼(122), 제3스프링 댐퍼(123)가 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 직렬 배치되어 이루어지되,
   상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)의 피치는 서로 동일하며,
   상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치는 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 피치보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 스프링 댐퍼 세트(120)는
   상기 제1스프링 댐퍼(121)의 피치 : 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 피치 비 값이 1 : 2 내지 1 : 5 범위 내의 값으로 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 스프링 댐퍼 세트(120)는
   상기 제1스프링 댐퍼(121) 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)의 강성이 상기 제2스프링 댐퍼(122)의 강성보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 스프링 댐퍼 세트(120)는
   상기 제1스프링 댐퍼(121), 상기 제2스프링 댐퍼(122), 상기 제3스프링 댐퍼(123)는 동일 금속 재질로 이루어지되,
   상기 제1스프링 댐퍼(121) 및 상기 제3스프링 댐퍼(123)가 열처리 공정에 의하여 상기 제2스프링 댐퍼(122)보다 높은 강성을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 탑 포일(140)은
   상기 댐퍼 중공(131) 내주면에 접촉되는 포일면(141),
   상기 포일면(141)의 일측 끝단에 형성되며 상기 포일면(141)으로부터 벤딩되어 상기 메탈 댐퍼(130)에 끼워져 고정되는 제1고정부(142),
   상기 포일면(141)의 타측 끝단에 형성되며 상기 제1고정부(142)와 대칭되게 상기 포일면(141)으로부터 벤딩되어 상기 메탈 댐퍼(130)에 끼워져 고정되는 제2고정부(143)
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링.
   
7. 제 6항에 있어서, 상기 제1고정부(142) 및 상기 제2고정부(143)는 상기 포일면(141)의 끝단으로부터 적어도 1회 이상 벤딩된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티 댐퍼형 양방향 에어 포일 베어링.

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