KR102441853B1

KR102441853B1 - 헤링본 패턴을 가지는 저널 포일 공기 베어링

Info

Publication number: KR102441853B1
Application number: KR1020200133722A
Authority: KR
Inventors: 김경수
Original assignee: ㈜티앤이코리아
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-09-08
Also published as: KR20220122963A; KR20220049969A; JP2023542171A; CN116348684A; US20230366428A1; WO2022080807A1; KR102593793B1

Abstract

본 발명은 헤링본 패턴을 가지는 저널 포일 공기 베어링에 관한 것으로서, 중심선을 중심으로 미리 정한 회전 방향으로 회전하는 회전부의 하중을 지지하기 위한 포일 공기 베어링으로서, 상기 회전부의 표면과 마주하도록 배치되는 상부 탑 포일; 상기 상부 탑 포일의 아래에 배치되는 중간 탑 포일; 상기 중간 탑 포일의 아래에 배치되는 하부 탑 포일; 탄성 변형이 가능한 부재로서, 상기 하부 탑 포일의 아래에 배치되는 범프 포일; 상기 중간 탑 포일의 상면으로부터 하면까지 관통되어 있는 구멍으로서, 상기 회전부의 회전 방향과 미리 정한 각도를 이루는 길이 방향을 따라 연장되어 있는 복수 개의 슬롯;을 구비하며, 상기 상부 탑 포일은, 상기 회전부의 회전에 의하여 발생하는 공기압에 의하여, 상기 슬롯에 대응하는 위치에서 하방으로 오목하게 변형됨으로써, 헤링본 패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 식각 또는 용접 공정을 사용하지 않고 프레스 가공에 의하여 상기 슬롯을 형성할 수 있는 바, 설계 요구 조건을 충족시키는 헤링본 패턴을 형성하기 용이하고, 전체적인 제조 단가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

헤링본 패턴을 가지는 저널 포일 공기 베어링 {Journal foil air bearing with herringbone pattern}

본 발명은 포일 공기 베어링에 관한 것으로서, 특히 식각 또는 용접 공정을 사용하지 않고 프레스 가공에 의하여 슬롯을 형성할 수 있는 바, 설계 요구 조건을 충족시키는 헤링본 패턴을 형성하기 용이하고, 전체적인 제조 단가를 감소시킬 수 있는 포일 공기 베어링에 관한 것이다.

공기 베어링(air bearing)은, 회전부과 베어링과의 사이에서 압축된 공기의 압력으로 회전부을 뜨게 하여 하중을 지지하는 베어링이다.

이러한 공기 베어링은, 공기와 같이 점성을 가지는 기체가 움직이는 면과 함께 이동을 하다가 정지되어 있는 면을 만나면서 상기 기체가 압축되면, 움직이는 면과 정지되어 있는 면 사이에 갇힌 공기의 압력이 상승하면서 움직이는 면을 들어올리는 원리를 이용한다.

상기 공기 베어링에는, 회전부의 길이 방향을 따라 가해지는 하중을 지지하기 위한 스러스트 공기 베어링(thrust air bearing)과, 회전부의 반경 방향을 따라 가해지는 하중을 지지하기 위한 저널 공기 베어링(journal air bearing)이 있다.

상기 저널 공기 베어링의 일종으로서, 압력 형성을 좀 더 유리하게 하고 고속에서의 동적 안정성을 높이기 위해서 얇은 소재의 포일(foil)을 사용하는 저널 포일 공기 베어링(journal foil air bearing)이 있다.

도 12에는 이러한 저널 포일 공기 베어링(1)의 일례가 도시되어 있는데, 상기 저널 포일 공기 베어링(1)은, 미리 정한 회전 방향(W)으로 회전하는 원형 회전축 형상의 회전부(F)의 외주면과 마주하도록 배치되며 상기 회전부(F)을 둘러 감싸는 탑 포일(2)과, 탄성 변형이 가능한 물결 형상 부재로서 상기 탑 포일(2)을 둘러 감싸도록 배치되는 범프 포일(3)을 구비하며, 상기 탑 포일(2)과 범프 포일(3)의 일단부는 베어링 하우징(S)의 내면의 용접부(4)에 용접되어 있다.

한편, 종래의 스러스트 포일 공기 베어링(1a)은, 도 15에 도시된 바와 같이, 정지부(S)에 결합되는 판형 부재인 하판(2a)과, 상기 하판(2a)의 상면에 배치되며 탄성 변형이 가능한 범프 포일(3a); 상기 범프 포일(3a)의 상측에 배치되어 원형 회전판의 형상을 가지는 회전부(R)와 접촉 가능한 탑 포일(4a)을 구비한다. 여기서 상기 회전부(R)는 중심선(C)을 중심으로 미리 정한 회전 방향(W)으로 회전하는 원형 회전축 형상의 회전부(F)에 결합되어 있다.

이러한, 공기 베어링들(1, 1a)은 회전부(F) 내지 회전부(R)의 회전속도에 의하여 베어링의 내부에 압력이 형성됨으로써, 비접촉 방식으로 베어링이 상기 회전부(F, R)를 부양시키게 되는데, 이때 베어링 내부에 형성된 압력은 도 13에 도시된 바와 같이 베어링의 양 측면으로 유출 유동(U)이 발생함으로써, 그 값이 감소하게 된다. 여기서, 도 13은 상기 저널 포일 공기 베어링(1)의 탑 포일(2)을 회전 방향(W)으로 펼쳤을 때의 전개도이다.

이러한 압력 누설은 도 14에 도시된 바와 같이 베어링의 가장자리(x = 0, x = L)에서 발생하며 베어링 내부의 압력도 감소시키게 되고, 결과적으로 베어링의 하중지지력 및 성능이 저하되는 문제점을 발생시킨다. 여기서 도 14는 상기 저널 포일 공기 베어링(1)의 탑 포일(2)을 회전 방향(W)으로 펼쳤을 때, 상기 탑 포일(2)의 폭 방향(x 방향)의 위치에 따른 베어링의 내부 공기 압력 분포를 보여주는 그래프이다.

상기 문제점을 해소하기 위하여, 종래의 미국공개특허(공개번호 20150362012, 공개일 2015.12.17)는, 탑 포일과 범프 포일 사이에 추가 포일을 삽입하고, 그 추가 포일의 상면을 식각이나 기계 가공을 통하여 바닥을 가진 홈(groove)을 만들어서, 도 6에 도시된 바와 같이 탑 포일의 상면을 공기압에 의하여 변형되도록 하여 소위 헤링본 패턴(herringbone pattern)을 형성함으로써, 도 7에 도시된 바와 같이 탑 포일의 상면에 유입 유동(U)을 발생시키는 헤링본 효과(herringbone effect)를 가지는 포일 공기 베어링을 개시하고 있다.

그러나, 종래의 포일 공기 베어링은, 상기 추가 포일의 상면에 홈(groove)을 형성하는 식각 공정이나 가공 공정이 기술적으로 매우 어렵기 때문에, 전체적인 제조 단가가 상승하고, 제품의 품질이 저하되는 문제점이 여전히 있다.

또한 종래의 포일 공기 베어링은, 상기 추가 포일에 바닥을 가진 홈(groove)이 형성되므로, 상기 홈이 충분한 깊이를 가지지 못하는 경우에는 상기 홈의 바닥이 탑 포일의 변형을 방해하여 헤링본 패턴(herringbone pattern)이 설계 요구 조건을 충족하도록 형성되지 못하는 문제점도 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 식각 또는 용접 공정을 사용하지 않고 프레스 가공에 의하여 슬롯을 형성할 수 있는 바, 설계 요구 조건을 충족시키는 헤링본 패턴을 형성하기 용이하고, 전체적인 제조 단가를 감소시킬 수 있도록 구조가 개선된 포일 공기 베어링을 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 포일 공기 베어링은, 중심선을 중심으로 미리 정한 회전 방향으로 회전하는 회전부의 하중을 지지하기 위한 포일 공기 베어링으로서, 상기 회전부의 표면과 마주하도록 배치되는 상부 탑 포일; 상기 상부 탑 포일의 아래에 배치되는 중간 탑 포일; 상기 중간 탑 포일의 아래에 배치되는 하부 탑 포일; 탄성 변형이 가능한 부재로서, 상기 하부 탑 포일의 아래에 배치되는 범프 포일; 상기 중간 탑 포일의 상면으로부터 하면까지 관통되어 있는 구멍으로서, 상기 회전부의 회전 방향과 미리 정한 각도를 이루는 길이 방향을 따라 연장되어 있는 복수 개의 슬롯;을 구비하며, 상기 상부 탑 포일은, 상기 회전부의 회전에 의하여 발생하는 공기압에 의하여, 상기 슬롯에 대응하는 위치에서 하방으로 오목하게 변형됨으로써, 헤링본 패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 복수 개의 슬롯은, 미리 정한 간격만큼 서로 이격된 상태로 배치되어 있으며, 상기 회전 방향과 나란한 가상의 대칭선을 중심으로 대칭적으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 탑 포일들과 상기 범프 포일은, 식각 또는 용접 공정을 사용하지 않고, 프레스 가공에 의하여 자동적으로 절개 및 절곡됨으로써 대량 생산 가능한 형상을 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 중간 탑 포일의 하면과 상기 하부 탑 포일의 상면은 서로 분리 가능한 상태로 적층되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 회전부가 회전축의 형태로 마련되는 저널 포일 공기 베어링으로서, 상기 범프 포일을 둘러 감싸도록 배치되는 베이스 포일을 포함하며, 상기 복수 개의 탑 포일들의 일단부와 상기 범프 포일의 일단부와 상기 베이스 포일의 양단부를 서로 결합시키는 결합부를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 회전부가 회전축의 형태로 마련되는 저널 포일 공기 베어링으로서, 상기 회전부가 회전하는 상태에서, 상기 회전부와 상기 상부 탑 포일의 거리가 가까운 위치에서, 상기 슬롯들의 간격이 다른 부위보다 더 조밀하게 형성되어 있는 것일 수도 있다.

여기서, 상기 회전부가 회전판의 형태로 마련되는 스러스트 포일 공기 베어링으로서, 상기 중간 탑 포일은 원판 형태로 마련되며, 상기 슬롯들은 상기 중심선을 원의 중심으로 하는 가상의 원을 따라 나열되어 있는 것일 수도 있다.

본 발명에 따르면, 중심선을 중심으로 미리 정한 회전 방향으로 회전하는 회전부의 하중을 지지하기 위한 포일 공기 베어링으로서, 상기 회전부의 표면과 마주하도록 배치되는 상부 탑 포일; 상기 상부 탑 포일의 아래에 배치되는 중간 탑 포일; 상기 중간 탑 포일의 아래에 배치되는 하부 탑 포일; 탄성 변형이 가능한 부재로서, 상기 하부 탑 포일의 아래에 배치되는 범프 포일; 상기 중간 탑 포일의 상면으로부터 하면까지 관통되어 있는 구멍으로서, 상기 회전부의 회전 방향과 미리 정한 각도를 이루는 길이 방향을 따라 연장되어 있는 복수 개의 슬롯;을 구비하며, 상기 상부 탑 포일은, 상기 회전부의 회전에 의하여 발생하는 공기압에 의하여, 상기 슬롯에 대응하는 위치에서 하방으로 오목하게 변형됨으로써, 헤링본 패턴이 형성되므로, 식각 또는 용접 공정을 사용하지 않고 프레스 가공에 의하여 상기 슬롯을 형성할 수 있는 바, 설계 요구 조건을 충족시키는 헤링본 패턴을 형성하기 용이하고, 전체적인 제조 단가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 저널 포일 공기 베어링의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 저널 포일 공기 베어링의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 A부분 확대도이다.
도 4는 도 2에 도시된 중간 탑 포일의 전개도이다.
도 5는 도 1에 도시된 저널 포일 공기 베어링의 전개도이다.
도 6은 도 5에 도시된 VI-VI선 단면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 저널 포일 공기 베어링의 탑 포일에 유입 유동이 발생되어 헤링본 효과(herringbone effect)가 발생되는 상태를 나타내는 전개도이다.
도 8은 다양한 형태의 중간 탑 포일들을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예인 스러스트 포일 공기 베어링의 분해 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 평면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 XI-XI선 단면도의 일부이다.
도 12는 종래의 저널 포일 공기 베어링의 단면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 저널 포일 공기 베어링의 탑 포일에서 양 측면으로 유출 유동(U)이 발생여 공기압이 감소하는 상태를 설명하기 위한 전개도이다.
도 14는 도 12에 도시된 저널 포일 공기 베어링의 내부 공기 압력 분포를 보여주는 그래프이다.
도 15는 종래의 스러스트 포일 공기 베어링의 단면도이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 저널 포일 공기 베어링의 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 저널 포일 공기 베어링의 분해 사시도이다. 도 3은 도 1에 도시된 A부분 확대도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저널 포일 공기 베어링(100)은, 도 12에 도시된 바와 같이 원형 단면을 가진 회전축(F) 형태의 회전부에, 상기 회전축(F)의 반경 방향을 따라 가해지는 하중을 지지하기 위한 저널 포일 공기 베어링(journal foil air bearing)으로서, 베이스 포일(10)과, 범프 포일(20)과, 상부 탑 포일(30)과 중간 탑 포일(40)과 하부 탑 포일(50)과, 결합부(60)를 포함하여 구성된다. 이하에서는 상기 회전부가 도 1에 도시된 중심선(C)을 중심으로 미리 정한 회전 방향(W)으로 회전하는 것을 전제로 한다.

상기 베이스 포일(10)은, 도 2에 도시된 바와 같이 유연하고 탄력 있는 금속 박판을 프레스 가공하여 제조되는 원형 파이프 형태의 부재이다.

본 실시예에서 상기 베이스 포일(10)은, 프레스 가공된 직사각형 금속 박판을 중심선(C)을 중심으로 둥글게 말아서 "C"자형 단면의 파이프 형태로 형성된다.

상기 베이스 포일(10)은, 상기 중심선(C)을 따라 미리 정한 길이만큼 연장되어 있는 원형 파이프 부재로서, 내부에는 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 중공(H)이 형성되어 있다.

상기 베이스 포일(10)은, 후술할 상기 범프 포일(20)을 둘러 감싸도록 배치됨으로써, 상기 베이스 포일(10)의 중공(H)에 상기 범프 포일(20)이 수용된다.

상기 베이스 포일(10)의 양단부는, 상기 결합부(60)에 결합될 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이 "L"자 형상으로 절곡되어 상방으로 돌출되도록 형성되어 있다.

상기 범프 포일(20)은, 도 2에 도시된 바와 같이 유연하고 탄력 있는 금속 박판을 프레스 가공하여 제조되는 원형 파이프 부재이다.

상기 범프 포일(20)은, 상기 중심선(C)을 따라 미리 정한 길이만큼 연장되어 있는 원형 파이프 부재로서, 내부에는 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 중공(H)이 형성되어 있다.

본 실시예에서 상기 범프 포일(20)은, 프레스 가공된 직사각형 금속 박판을 상기 중심선(C)을 중심으로 둥글게 말아서 "C"자형 단면의 파이프 형태로 형성된다.

상기 범프 포일(20)은, 상기 베이스 포일(10)의 중공(H)에 수용된 상태로, 상기 하부 탑 포일(50)을 둘러 감싸도록 배치된다.

상기 범프 포일(20)은, 상기 중심선(C)의 반경 방향으로 탄성 변형이 가능하도록, 다수 개의 산과 골이 번갈아가면서 연결된 물결(wave) 형상의 부분을 포함하고 있다.

상기 범프 포일(20)의 우단부는, 상기 결합부(60)에 결합될 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이 "L"자 형상으로 절곡되어 상방으로 돌출되도록 형성되어 있다.

상기 범프 포일(20)의의 좌단부는, 도 1에 도시된 바와 같이 자유롭게 운동할 수 있는 자유단(free end)이다.

본 실시예에서 상기 범프 포일(20)은, 한 쌍이 마련되어 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 서로 적층되어 있다.

상기 상부 탑 포일(30)은, 도 2에 도시된 바와 같이 유연하고 탄력 있는 금속 박판을 프레스 가공하여 제조되는 원형 파이프 부재로서, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 회전축(F)의 외주면과 마주할 수 있도록 가장 안쪽에 배치되어 있다.

상기 상부 탑 포일(30)은, 상기 중심선(C)을 따라 미리 정한 길이만큼 연장되어 있는 원형 파이프 부재로서, 내부에는 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 중공(H)이 형성되어 있다.

본 실시예에서 상기 상부 탑 포일(30), 중간 탑 포일(40)과 하부 탑 포일(50)은, 프레스 가공된 직사각형 금속 박판을 상기 중심선(C)을 중심으로 둥글게 말아서 "C"자형 단면의 파이프 형태로 형성된다.

상기 상부 탑 포일(30)은, 상기 범프 포일(20)의 중공(H)에 수용된 상태로, 상기 회전축(F)을 둘러 감싸도록 배치된다.

상기 상부 탑 포일(30)의 좌단부에는, "∩"자 형상으로 절곡된 형상으로 마련되어 있는 상기 결합부(60)가 마련되어 있다.

상기 상부 탑 포일(30)의 우단부는, 도 3에 도시된 바와 같이 자유롭게 운동할 수 있는 자유단(free end)이다.

상기 상부 탑 포일(30)은, 상기 회전축(F)의 외주면과 마주하는 표면에, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene)을 포함하는 코팅재(미도시)가 코팅되어 있다. 상기 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)은 소위 테프론(Teflon)이라고도 불린다.

상기 상부 탑 포일(30)은, 상기 회전축(F)의 회전에 의하여 발생하는 공기압에 의하여, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 슬롯(41)에 대응하는 위치에서 하방으로 오목하게 변형됨으로써, 도 5에 도시된 바와 같이 복수 개의 공기 유도홈(M)을 가지는 헤링본 패턴(herringbone pattern)이 형성될 수 있는 재질과 두께를 가진다.

만약 상기 상부 탑 포일(30)의 두께가 과도하게 큰 값을 가지면, 상기 헤링본 패턴(herringbone pattern)이 충분한 깊이로 형성되지 못할 것이다.

상기 중간 탑 포일(40)은, 상기 상부 탑 포일(30)과 마찬가지로, 상기 중심선(C)을 따라 미리 정한 길이만큼 연장되어 있는 원형 파이프 부재로서, 내부에는 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 중공(H)이 형성되어 있다.

상기 중간 탑 포일(40)은, 후술할 상기 하부 탑 포일(50)의 중공(H)에 수용된 상태로, 상기 상부 탑 포일(30)을 둘러 감싸도록 배치된다.

상기 중간 탑 포일(40)의 우단부는, 상기 결합부(60)에 결합될 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이 "L"자 형상으로 절곡되어 상방으로 돌출되도록 형성되어 있다.

상기 중간 탑 포일(40)의 좌단부는, 도 3에 도시된 바와 같이 자유롭게 운동할 수 있는 자유단(free end)이다.

상기 중간 탑 포일(40)에는, 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개의 슬롯(41)이 형성되어 있다.

상기 슬롯(41)은, 상기 중간 탑 포일(40)의 상면으로부터 하면까지 관통되어 있는 구멍으로서, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 회전축(F)의 회전 방향(W)과 나란한 가상의 대칭선(Y)을 중심으로 좌우 대칭적으로 배치되어 있다.

상기 슬롯(41)은, 도 4에 도시된 바와 같이 평행사변형 평면 형상을 가지며, 도 5에 도시된 바와 같이 일정한 폭(d)을 가지며, 길이 방향을 따라 연장된 띠 형상의 구멍이다.

상기 슬롯(41)은, 상기 회전축(F)의 회전 방향(W)과 나란한 상기 대칭선(Y)과 미리 정한 각도(θ)를 이루는 길이 방향을 따라 연장되어 있다.

상기 각도(θ)는, 90도 이하의 예각을 가지며, 그 값은 필요에 따라 변경될 수 있으며, 본 실시예에서는 45도를 가진다.

상기 복수 개의 슬롯(41)은, 상기 대칭선(Y)을 따라 미리 정한 간격만큼 서로 이격된 상태로 배치되어 있다.

결국 상기 중간 탑 포일(40)은, 상기 슬롯(41)들에 의하여, 도 4에 도시된 바와 같이 헤링본 패턴(herringbone pattern)을 가지게 된다.

여기서, 헤링본(herringbone)은 원래‘청어의 뼈’라는 의미를 가진 단어로서, 헤링본 패턴(herringbone pattern)은 물고기의 뼈 모양 혹은 화살의 오늬 같은 모양을 여러 개 짜 맞춘 무늬나 그런 모양을 의미한다.

상기 중간 탑 포일(40)은, 와이어 커팅 공법, 펀칭 공법, 또는 워터 젯(water jet) 공법으로 가공이 가능하다.

본 실시예에서 상기 중간 탑 포일(40)은 두께가 0.2mm 이하로 형성되어 있다.

한편, 도 8에는 다양한 형태의 헤링본 패턴(herringbone pattern)을 가지는 중간 탑 포일(40a 내지 40e)들이 나열되어 있다.

상기 중간 탑 포일(40a 40b)들은 상기 슬롯(41)의 말단부가 폐쇄되어 있는 형태이고, 상기 중간 탑 포일(40c 40d, 40e)들은 상기 슬롯(41)의 말단부가 개방되어 있는 형태이다.

특히, 상기 중간 탑 포일(40c)은, 특정한 부분에서 상기 슬롯(41)의 폭(d)이 다른 슬롯(41)들의 폭(d)보다 더 좁아지고, 특정한 부분에서 상기 슬롯(41)들 사이의 간격이 다른 슬롯(41)들 사이의 간격보다 더 좁아지는 형태를 가진다.

일반적으로 상기 저널 포일 공기 베어링(100)은, 상기 회전축(F)이 회전하는 상태에서, 도 12에 도시된 바와 같이 상기 회전축(F)과 상기 상부 탑 포일(30) 간의 거리가 각 위치에서 달라진다. 즉, 상기 회전축(F)의 하단부는 상기 상부 탑 포일(30)과의 거리가 매우 가깝고, 상기 회전축(F)의 상단부는 상기 상부 탑 포일(30)과의 거리가 매우 멀다.

따라서, 상기 중간 탑 포일(40c)을 사용하게 되면, 상기 회전축(F)과 상기 상부 탑 포일(30)의 거리가 비교적 가까운 위치, 즉 도 8의 상기 중간 탑 포일(40c)의 중간부에서, 상기 슬롯(41)의 폭(d)과 상기 슬롯(41)들 사이의 간격을 다른 부위보다 더 조밀하게 형성시킬 수 있다. 이렇게 하면 상기 회전축(F)의 하단부에서의 공기 유입 유동(U)을 증가시킴으로써, 윤활 효과를 상대적으로 더욱 증가시킬 수 있다.

본 실시예에서는 상기 중간 탑 포일(40)은, 도 8에 도시된 중간 탑 포일(40d)와 유사한 형태를 가진다.

상기 슬롯(41)들은, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 중간 탑 포일(40)의 전체 길이에 걸친 영역에 형성될 수도 있고, 도 8의 중간 탑 포일(40c, 40d)과 같이 일부 길이에 걸친 영역에만 형성될 수도 있다.

상기 하부 탑 포일(50)은, 상기 상부 탑 포일(30)과 마찬가지로, 상기 중심선(C)을 따라 미리 정한 길이만큼 연장되어 있는 원형 파이프 부재로서, 내부에는 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 중공(H)이 형성되어 있다.

상기 하부 탑 포일(50)은, 상기 범프 포일(20)의 중공(H)에 수용된 상태로, 상기 중간 탑 포일(40)을 둘러 감싸도록 배치된다.

상기 하부 탑 포일(50)의 좌단부는, 상기 결합부(60)에 결합될 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이 "L"자 형상으로 절곡되어 상방으로 돌출되도록 형성되어 있다.

상기 하부 탑 포일(50)의 우단부는, 도 3에 도시된 바와 같이 자유롭게 운동할 수 있는 자유단(free end)이다.

상기 하부 탑 포일(50)의 두께는 상기 중간 탑 포일(40)의 두께보다 더 큰값을 가지는 것이 바람직하다. 왜냐하면 상기 하부 탑 포일(50)은 상기 중간 탑 포일(40)을 받쳐서 지지하는 역할을 수행하기 때문이다.

본 실시예에서 상기 중간 탑 포일(40)의 하면과 상기 하부 탑 포일(50)의 상면은, 용접 등에 의하여 결합되어 있지 않으며, 서로 분리 가능한 상태로 단순히 적층되어 있다.

따라서, 도 6에 도시된 상기 저널 포일 공기 베어링(100)의 전개도에서는, 상기 상부 탑 포일(30)의 아래에 상기 중간 탑 포일(40)이 배치되고, 상기 중간 탑 포일(40)의 아래에 상기 하부 탑 포일(50)이 배치되며, 상기 하부 탑 포일(50)의 아래에 범프 포일(20)이 배치되고, 상기 범프 포일(20)의 아래에 상기 베이스 포일(10)이 배치되는 적층 구조가 형성된다.

상기 베이스 포일(10)과 범프 포일(20)과 탑 포일들(30, 40, 50)은, 동일한 재질의 금속 박판으로 제조될 수 있으며, 각각의 두께는 서로 상이할 수도 있다.

본 실시예에서, 상기 탑 포일들(30, 40, 50)과 범프 포일(20) 및 베이스 포일(10)은, 식각 또는 용접 공정을 사용하지 않고, 프레스 가공에 의하여 자동적으로 절개 및 절곡됨으로써 대량 생산 가능한 형상을 구비하고 있다.

상기 결합부(60)는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 복수 개의 탑 포일들(30, 40, 50)의 일단부와 상기 범프 포일(20)의 일단부와 상기 베이스 포일(10)의 양단부를 서로 결합시키기 위한 부분이다.

상기 결합부(60)는, 자세히 도시하지 않았으나, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 베이스 포일(10)의 양단부와 상기 범프 포일(20)과 탑 포일들(30, 40, 50)의 일단부에 형성된 결합공(미도시)과, 그 결합공(미도시)들을 관통하여 고정되는 결합 부재(미도시)를 포함한다.

본 실시예에서 상기 결합 부재(미도시)는, "ㄷ"형상의 박판 부재로서, 상기 결합공(미도시)들에 삽입된 후 양단부가 절곡되어 소성 변형됨으로써, 상기 탑 포일들(30, 40, 50)과 범프 포일(20)과 베이스 포일(10)을 서로 고정시키는 부재이다.

이하에서는, 상술한 구성의 저널 포일 공기 베어링(100)의 작동 원리의 일례를 설명하기로 한다.

먼저 회전축(F)이 회전을 시작하면, 상기 회전축(F)의 회전에 의하여 발생하는 공기압에 의하여, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 상부 탑 포일(30)의 일부 영역이 하방으로 오목하게 변형됨으로써, 도 5에 도시된 바와 같이 복수 개의 공기 유도홈(M)을 가지는 헤링본 패턴(herringbone pattern)이 상기 상부 탑 포일(30)의 상면에 형성된다.

이렇게 상기 공기 유도홈(M)이 형성되면, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 상부 탑 포일(30)의 상면에는, 상기 상부 탑 포일(30)의 양 측면으로부터 중앙부에 있는 상기 대칭선(Y)을 향하여 비스듬하게 유입되는 공기 유입 유동(U)이 발생되어, 도 14에 도시된 바와 같은 베어링 양 측면의 압력 누설을 방지하는 헤링본 효과(herringbone effect)가 발생한다.

상술한 구성의 저널 포일 공기 베어링(100)은, 중심선(C)을 중심으로 미리 정한 회전 방향으로 회전하는 회전부(F)의 하중을 지지하기 위한 포일 공기 베어링으로서, 상기 회전부(F)의 표면과 마주하도록 배치되는 상부 탑 포일(30); 상기 상부 탑 포일(30)의 아래에 배치되는 중간 탑 포일(40); 상기 중간 탑 포일(40)의 아래에 배치되는 하부 탑 포일(50); 탄성 변형이 가능한 부재로서, 상기 하부 탑 포일(50)의 아래에 배치되는 범프 포일(20); 상기 중간 탑 포일(40)의 상면으로부터 하면까지 관통되어 있는 구멍으로서, 상기 회전부(F)의 회전 방향(W)과 미리 정한 각도(θ)를 이루는 길이 방향을 따라 연장되어 있는 복수 개의 슬롯(41);을 구비하며, 상기 상부 탑 포일(30)은, 상기 회전부(F)의 회전에 의하여 발생하는 공기압에 의하여, 상기 슬롯(41)에 대응하는 위치에서 하방으로 오목하게 변형됨으로써, 헤링본 패턴이 형성되므로, 식각 또는 용접 공정을 사용하지 않고 프레스 가공에 의하여 상기 슬롯(41)을 형성할 수 있는 바, 설계 요구 조건을 충족시키는 헤링본 패턴(herringbone pattern)을 형성하기 용이하고, 전체적인 제조 단가를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

그리고, 상기 저널 포일 공기 베어링(100)는, 상기 복수 개의 슬롯(41)이, 미리 정한 간격만큼 서로 이격된 상태로 배치되어 있으며, 상기 회전 방향(W)과 나란한 가상의 대칭선(Y)을 중심으로 대칭적으로 배치되어 있으므로, 베어링의 양쪽 가장자리에서의 압력 누설을 감소시켜, 베어링의 하중지지력 및 성능을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 상기 저널 포일 공기 베어링(100)는, 상기 탑 포일들(30, 40, 50)과 상기 범프 포일(20)은, 식각 또는 용접 공정을 사용하지 않고, 프레스 가공에 의하여 자동적으로 절개 및 절곡됨으로써 대량 생산 가능한 형상을 구비하므로, 전체적인 제조 단가 및 제조 시간을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

그리고 상기 저널 포일 공기 베어링(100)는, 상기 중간 탑 포일(40)의 하면과 상기 하부 탑 포일(50)의 상면은 서로 분리 가능한 상태로 적층되어 있으므로, 바닥을 가진 홈(groove)을 구비한 종래의 저널 포일 공기 베어링과는 달리, 장시간 사용 후 상기 중간 탑 포일(40)만을 수리하거나 교체할 수 있다는 장점이 있다.

또한 상기 저널 포일 공기 베어링(100)은, 상기 복수 개의 탑 포일들(30, 40, 50)의 일단부와 상기 범프 포일(20)의 일단부와 상기 베이스 포일(10)의 양단부를 서로 결합시키는 결합부(60)를 포함하므로, "모듈화"(modularizing)된 베어링으로 마련될 수 있어, 베어링 하우징에 간편하게 삽입 장착할 수 있는 장점이 있다.

본 실시예에서는, 상기 결합부(60)가, "ㄷ"형상의 박판 부재인 결합 부재(미도시)와, 상기 베이스 포일(10)의 양단부와 상기 범프 포일(20)과 탑 포일들(30, 40, 50)의 일단부에 형성된 결합공(미도시)을 포함하고 있으나, 임의의 결합 장치를 포함할 수도 있음은 물론이다.

한편, 도 9에는 본 발명의 다른 실시예인 스러스트 포일 공기 베어링(200)이 도시되어 있다. 상기 스러스트 포일 공기 베어링(200)은, 도 15에 도시된 바와 같이 중심선(C)을 따라 회전하는 회전부가 원형의 회전판(R)의 형태로 마련되는 스러스트 포일 공기 베어링으로서, 베이스 포일(210)과, 범프 포일(220)과, 상부 탑 포일(230)과 중간 탑 포일(240)과 하부 탑 포일(250)를 포함하여 구성된다.

상기 스러스트 포일 공기 베어링(200)과 상기 저널 포일 공기 베어링(100)의 구성 및 효과는 대부분이 동일하므로, 이하에서는 양자간의 차이점만을 설명하기로 한다.

상기 스러스트 포일 공기 베어링(200)은, 상기 포일들(210), 220, 230, 240, 250)이 중공을 가지는 원판 형태로 마련되어 있다는 점에서, 상기 저널 포일 공기 베어링(100)과 다르다.

또한 상기 스러스트 포일 공기 베어링(200)은, 상기 중간 탑 포일(240)이 원판 형태로 마련되며, 상기 슬롯(41)들은 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 가상의 원(Y)을 따라 나열되어 있는 점에서, 상기 저널 포일 공기 베어링(100)과 다르다.

그러나, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 스러스트 포일 공기 베어링(200)의 단면 구조는, 도 6에 도시된 상기 저널 포일 공기 베어링(100)의 단면 구조와 거의 동일하다.

따라서, 상기 스러스트 포일 공기 베어링(200)은, 상기 상부 탑 포일(230)은, 상기 회전판(R)의 회전에 의하여 발생하는 공기압에 의하여, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 슬롯(41)에 대응하는 위치에서 하방으로 오목하게 변형됨으로써, 복수 개의 공기 유도홈(M)을 가지는 헤링본 패턴(herringbone pattern)이 형성될 수 있다.

이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.

＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 저널 포일 공기 베어링
10 : 베이스 포일
20 : 범프 포일
30 : 상부 탑 포일
40 : 중간 탑 포일
41 : 슬롯
50 : 하부 탑 포일
60 : 결합부
200 : 스러스트 포일 공기 베어링
1 : 종래의 저널 포일 공기 베어링
2 : 탑 포일
3 : 범프 포일
4 : 용접부
1a : 종래의 스러스트 포일 공기 베어링
2a : 하판
3a : 범프 포일
4a : 탑 포일
C : 중심선
F : 회전축
H : 중공
M : 공기 유도홈
R : 회전판
S : 정지부
Y : 대칭선
U : 공기 유동
W : 회전 방향

Claims

중심선을 중심으로 미리 정한 회전 방향으로 회전하는 회전부의 하중을 지지하기 위한 베어링이며, 상기 회전부가 회전축의 형태로 마련되는 저널 포일 공기 베어링으로서,
상기 회전부의 표면과 마주하도록 배치되는 상부 탑 포일;
상기 상부 탑 포일의 아래에 배치되는 중간 탑 포일;
상기 중간 탑 포일의 아래에 배치되는 하부 탑 포일;
탄성 변형이 가능한 부재로서, 상기 하부 탑 포일의 아래에 배치되는 범프 포일;
상기 중간 탑 포일의 상면으로부터 하면까지 관통되어 있는 구멍으로서, 상기 회전부의 회전 방향과 미리 정한 각도를 이루는 길이 방향을 따라 연장되어 있는 복수 개의 슬롯;을 구비하며,
상기 상부 탑 포일은, 상기 회전부의 회전에 의하여 발생하는 공기압에 의하여, 상기 슬롯과 대응하여 동일한 위치에서 하방으로 오목하게 변형됨으로써, 헤링본 패턴이 형성되며,
상기 회전부가 회전하는 상태에서, 상기 회전부와 상기 상부 탑 포일의 거리가, 다른 부위보다 상대적으로 더 가까운 위치에서, 상기 슬롯들의 간격이 상기 다른 부위보다 더 조밀하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 저널 포일 공기 베어링
제 1항에 있어서,
상기 복수 개의 슬롯은, 미리 정한 간격만큼 서로 이격된 상태로 배치되어 있으며, 상기 회전 방향과 나란한 가상의 대칭선을 중심으로 대칭적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 저널 포일 공기 베어링
제 1항에 있어서,
상기 탑 포일들과 상기 범프 포일은, 식각 또는 용접 공정을 사용하지 않고, 프레스 가공에 의하여 생산 가능한 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 저널 포일 공기 베어링
제 1항에 있어서,
상기 중간 탑 포일의 하면과 상기 하부 탑 포일의 상면은 서로 분리 가능한 상태로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 저널 포일 공기 베어링
제 1항에 있어서,
상기 범프 포일을 둘러 감싸도록 배치되는 베이스 포일을 포함하며,
상기 복수 개의 탑 포일들의 일단부와 상기 범프 포일의 일단부와 상기 베이스 포일의 양단부를 서로 결합시키는 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 저널 포일 공기 베어링
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