KR102406532B1 - 냉각 성능이 우수한 가스포일 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각 성능이 우수한 가스포일 베어링에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 포일 베어링은 축이 고속 회전하기 시작하면, 축과 베어링의 탑포일 사이의 공기층에서 동압이 발생하여 회전축이 공중에 부상하게 된다. 공중 부상된 회전축의 주변 공기동압의 차에 의해 축의 중심 주변을 회전하며 떠 있는데, 이로 인해 베어링과 회전축 간의 직접 접촉은 없다.
이 과정에서 베어링 내부의 공기와 고속 회전하는 회전축 간에 마찰열이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 열은 베어링 외부로 빠져나가는 공기를 통해 일부 빠져나가는 열도 있지만, 탑포일과 범프 포일을 통해 베어링 하우징으로 전달되어 빠져나가기도 한다.
이러한 열이 베어링 구성품에 전달되므로 해서 열변형으로 인한 내부 공극의 변화로 인해 포일 베어링과 축 사이의 틈새가 늘어나게 되고, 내부 가스의 압력의 변화로 인한 베어링 강성의 변화될 수 있다. 이러한 베어링 강성의 변화에 따른 회전체 불균형과 베어링 온도 상승에 따른 탑포일 내부 고체 윤활제 소실로 인해 베어링 파손이 발생하면, 회전축에 조립된 구성품의 파손을 초래하게 된다.
본 발명은 상기 언급한 열에 의한 베어링 문제점 발생을 막기 위해 베어링 하우징 외부에 여러 형상의 냉각핀을 설치하여 냉각 성능이 우수한 가스 포일 베어링을 제작에 관한 것이다.

Description

냉각 성능이 우수한 가스포일 베어링{Gas foil bearing with excellent cooling performance}
본 발명은 냉각장치를 가진 가스포일 베어링에 관한 것이다.
고속회전축을 지지하는 가스 포일 베어링은 회전축이 회전함에 따라 회전축의 외경부와 탑포일 내경부 사이의 공기압이 발생하고, 이 공기압으로 인해 회전축은 공중으로 부상하게 된다. 공중으로 부상한 회전축의 위치에 따라 탑포일과 가까운 거리를 갖는 구역에서 더 큰 공기압이 발생하게 되고, 회전축이 중심축과 일정간격의 궤도를 유지하면 회전운동을 하게 되고 이 회전 궤도로 인해 베어링 내경에 설치된 탑포일 과 접촉없이 움직이며, 회전축은 모터 회전수에 따라 자전한다.
이러한 고속 회전축의 외경부와 베어링 내부 공기층은 회전축이 고속으로 회전함에 따라, 공기 마찰이 발생하고 이로 인한 마찰열로 내부 공기 온도가 상승하게 된다.
상승되는 내부 공기 온도를 적절히 냉각하지 않으면, 탑포일 내부의 고체 윤활제의 박리, 인접한 베어링 부품의 열변형을 유발할 수 있어, 이 발생열을 빠르게 냉각시켜 문제점을 방지하려 한다.
대한민국 공개특허공보 10-2017-0075888호(2017.07.04.공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 가스포일 베어링의 발생열을 원활히 냉각시킴으로써, 구성품의 열변형과 탑포일 내부의 고체윤활제의 박리를 방지하여 베어링 파손이나 고장 문제를 해결하고자 한 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서,
베어링 하우징의 외부에 냉각장치를 수축결합하여, 기존에 베어링 하우징으로 전달된 베어링 마찰열이 냉각장치에 최대로 모일 수 있도록 한 것이다.
그리고, 냉각장치에 모인 열을 냉각하는 능력을 최대로 발휘하기 위해, 외부냉각 공기와의 접촉 표면적이 넓어지도록 냉각장치의 외경부에 원주방향 냉각핀을 설치하여 냉각 면적을 넓혀 냉각성능을 상승시킨 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 하기와 같은 효과를 가진다.
첫째, 냉각장치 설치로 인해 베어링 냉각성능이 향상되어 베어링 하우징의 변형을 최소화할 수 있다.
둘째, 베어링 하우징의 변형을 최소화하여, 정상 운전 시 베어링에 필요한 간극을 일정하게 유지할 수 있다.
셋째, 정상 운전 시 베어링 간극을 일정하게 유지함으로써, 회전축의 고속 회전에 따른 베어링 내부의 공기 압력 변화를 줄여 안정적인 베어링 역할이 가능해지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 베어링 구성품의 일실시예에 따른 분해도.
도 2는 본 발명에 따른 베어링의 구성품 조립 방법에 대한 일실시예의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 베어링 발생열의 흐름을 설명하는 일실시예의 도면.
도 4는 본 발명에 따른 포일 조립체를 나타낸 일실시예의 도면.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도하지 않는다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징으로 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각 성능이 우수한 가스포일 베어링을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 냉각 성능이 우수한 가스포일 베어링은 포일 조립체(10a), 베어링 하우징(30), 베어링 캡(40), 냉각장치(50)를 포함한다.
상기 포일 조립체(10a)는 사전설정방향으로 회전되는 회전축(미도시)이 중앙에 관통삽입되는 링 형태의 구성으로서, 탑포일(10)과 펌프포일(20)로 이루어진다.
상기 탑포일(10)은 전술된 회전축이 중앙에 회전가능하게 관통삽입되는 부분으로, 탑포일(10)의 내경부에는 회전축이 조립되는 것이며, 내부가 관통된 원통형 형상을 가진다. 즉, 탑포일(10)은 탑포일(10)의 외경면에 범프포일(20)을 조립하고, 이후 후술될 베어링 하우징(30)의 내경에 삽입되는 구조를 가진다.
또한, 이러한 탑포일(10)은 외주연에 축방향으로 절개되어 형성되는 절개선(11)이 있으며, 양측 외주연에서 각각 제 1, 2돌출부(12, 13)가 축방향으로 돌출형성되되, 제 1, 2돌출부(12, 13)는 절개선(11)을 기준으로 절개선(11) 양측에 상호간 이격되어 대칭으로 돌출됨으로써, 이러한 제 1, 2돌출부(12, 13) 사이에는 빈공간인 삽입홈(14)이 형성되도록 한다.
또한, 상기 범프포일(20)은 탑포일(10)의 외주연에 장착되는 것으로서, 상기 탑포일(10)의 외주연에 대응되는 원호형상의 제 1, 2범프포일(21, 22)로 구성되며, 이러한 제 1, 2범프포일(21, 22)은 탑포일(10) 외주연에 형성된 절개선(11) 부분에 일단이 상호간 연결고정되고, 타단은 미고정상태로 설치되도록 한다.
이로써, 상기 탑포일(10) 내부의 회전축이 정회전(ex: 시계방향회전)하게 되면, 탑포일(10)의 제 1, 2돌출부(12, 13) 중 1개소(제 1돌출부(12))가 베어링 캡(40)의 돌기부(41)에 접촉하게 되고, 이로 인해 포일 조립체(10a)는 고정되게 되며, 이와 반대로 회전축이 역회전(ex: 반시계방향회전)하게 되면, 탑포일(10)에서 또 다른 돌출부(제 2돌출부(13))가 역회전되어 베어링 캡(40)의 돌기부(41)와 접촉하게 되고, 포일 조립체(10a)는 고정되게 된다.
상기 베어링 하우징(30)은 전술된 포일 조립체(10a)가 내부에 장착되며, 외주연 일측에는 고정부(31)가 돌출형성되는 관형태의 베어링이다.
상기 베어링 캡(40)은 베어링 하우징(30)의 양단에 각각 체결고정되되, 상기 포일 조립체(10a)와도 연결고정되도록 설치되어, 포일 조립체(10a)가 회전축과 동반하지 않도록 위치고정하는 부분이다.
이러한 베어링 캡(40)은 전술된 베어링 하우징(30)의 양측에 볼팅체결되되(베어링 하우징(30)의 전/후면에 각각 조립), 상기 탑포일(10)과도 연결고정되도록 설치되어, 상기 회전축의 회전방향으로 탑포일(10)이 동반 회전되지 않도록 위치고정시킴으로써, 회전축의 회전방향으로 탑포일(10)이 동반회전됨에 따라, 회전축 및 탑포일(10)의 손상을 사전에 방지할 수 있도록 하는 것이다.
이를 위해, 상기 베어링 캡(40)에는 전술된 제 1, 2돌출부(12, 13)가 대응되며 끼움체결되도록, 상기 베어링 캡(40) 내주연에 제 1, 2홈(42, 43)이 함몰 형성되어 있도록 한다.
상기 제 1, 2홈(42, 43)의 경우, 제 1, 2돌출부(12, 13)가 각각 대응체결된 후, 각각 0.2mm의 간극이 형성되어 있도록 한다.
즉, 상기 탑포일(10)과 베어링 캡(40)은
외주연에 축방향으로 절개되어 형성되는 절개선(11);
상기 탑포일(10)의 양측 외주연 상단에서 각각 축방향으로 돌출형성되되, 상기 절개선(11)을 기준으로 절개선(11) 양측에 상호간 이격되어 대칭으로 돌출되는 제 1, 2돌출부(12, 13);
상기 제 1, 2돌출부(12, 13)가 대응되며 끼움체결되도록, 상기 베어링 캡(40) 내주연에 상단에 함몰형성되는 제 1, 2홈(42, 43);
상기 제 1, 2돌출부(12, 13)와 대향되도록, 상기 탑포일(10)의 양측 외주연 하단에서 각각 축방향으로 돌출되는 제 3, 4돌출부(15, 16);
상기 제 3, 4돌출부(15, 16)가 대응되며 끼움체결되도록, 상기 베어링 캡(40) 내주연 하단에 함몰형성되는 제 3홈(44);
상기 제 1, 2돌출부(12, 13) 사이의 삽입홈(14)에 대응되며 끼워지도록, 상기 베어링 캡(40)의 제 1, 2홈(42, 43) 사이에 형성되는 돌기부(41);
로 구성되는 것이다.
상기 냉각장치(50)는 전술된 베어링 하우징(30)의 외주연에 수축결합되어(억지끼움 등)) 면접촉됨으로써, 상기 베어링 하우징(30)으로부터 열전달 효과를 상승시켜, 베어링 하우징(30) 내부에서 발생되는 열이 외부로 방출될 수 있도록 하는 장치이다.
이러한 냉각장치(50)는 베어링 하우징(30)의 외주연에 면접촉되며 밀착되는 링 형태의 몸체부(51)와, 상기 몸체부(51)의 외주연에서, 외부 공기와의 접촉표면적으로 넓혀 발산효과를 증대시키며, 일측이 베어링 하우징(30)의 고정부(31)에 체결고정되는 냉각핀(52)으로 구성된다. 상기 냉각핀(52)은 몸체부(51)의 길이방향을 향해 다수개가 사전설정간격으로 이격되며 링 형태로 돌출형성된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
10: 탑포일 10a: 포일 조립체
11: 절개선 12: 제 1돌출부
13: 제 2돌출부 14: 삽입홈
20: 범프포일 21: 제 1범프포일
22: 제 2범프포일 30: 베어링 하우징
31: 고정부 40: 베어링 캡
41: 돌기부 42: 제 1홈
43: 제 2홈 50: 냉각장치
51: 몸체부 52: 냉각핀

Claims (4)

  1. 가스포일 베어링이며,
    사전설정방향으로 회전되는 회전축이 중앙에 관통삽입되는 탑포일(10)과, 탑포일(10)의 외경면에 범프포일(20)이 조립되는 링 형태의 포일 조립체(10a);
    상기 포일 조립체(10a)가 내부에 장착되며, 외주연 일측에는 고정부(31)가 돌출형성되는 관형태의 베어링 하우징(30);
    상기 베어링 하우징(30)의 양단에 각각 체결고정되되, 상기 포일 조립체(10a)와도 연결고정되도록 설치되어, 포일 조립체(10a)가 회전축과 동반하지 않도록 위치고정하는 베어링 캡(40);
    상기 베어링 하우징(30)의 외주연에 수축결합되어 면접촉됨으로써, 상기 베어링 하우징(30)으로부터 열전달 효과를 상승시켜, 베어링 하우징(30) 내부에서 발생되는 열이 외부로 방출될 수 있도록 하는 냉각장치(50); 를 포함하여 이루어지며,
    상기 냉각장치(50)는
    상기 베어링 하우징(30)의 외주연에 면접촉되며 밀착되는 링 형태의 몸체부(51);
    상기 몸체부(51)의 외주연에서, 외부 공기와의 접촉표면적으로 넓혀 발산효과를 증대시키며, 일측이 베어링 하우징(30)의 고정부(31)에 체결고정되는 냉각핀(52); 로 이루어지며,
    상기 냉각핀(52)은
    상기 몸체부(51)의 길이방향을 향해 다수개가 사전설정간격으로 이격되며 링 형태로 돌출형성되며,
    상기 탑포일(10)과 베어링 캡(40)은
    외주연에 축방향으로 절개되어 형성되는 절개선(11);
    상기 탑포일(10)의 양측 외주연 상단에서 각각 축방향으로 돌출형성되되, 상기 절개선(11)을 기준으로 절개선(11) 양측에 상호간 이격되어 대칭으로 돌출되는 제 1, 2돌출부(12, 13);
    상기 제 1, 2돌출부(12, 13)가 대응되어 같은 위치에 끼움체결되도록, 상기 베어링 캡(40) 내주연에 상단에 함몰형성되는 제 1, 2홈(42, 43);
    상기 제 1, 2돌출부(12, 13)와 대향되도록, 상기 탑포일(10)의 양측 외주연 하단에서 각각 축방향으로 돌출되는 제 3, 4돌출부(15, 16);
    상기 제 3, 4돌출부(15, 16)가 대응되어 같은 위치에 끼움체결되도록, 상기 베어링 캡(40) 내주연 하단에 함몰형성되는 제 3홈(44);
    상기 제 1, 2돌출부(12, 13) 사이의 삽입홈(14)에 대응되어 같은 위치에 끼워지도록, 상기 베어링 캡(40)의 제 1, 2홈(42, 43) 사이에 형성되는 돌기부(41);가 구비되며,
    상기 범프포일(20)은 탑포일(10)의 외주연에 대응되어 같은 원호형상의 제 1, 2범프포일(21, 22)로 구성되며, 제 1, 2범프포일(21, 22)은 탑포일(10) 외주연에 형성된 절개선(11) 부분에 일단이 상호간 연결고정되고, 타단은 미고정상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 냉각성능이 우수한 가스포일 베어링.
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