KR102485659B1 - 에어 포일 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)을 포함하며, 상기 플레이트(702)는 상기 범프 포일(706)의 일부를 지지하는 바닥 심(shim)을 포함하는 에어 포일 베어링을 제공한다.
본 발명에 따르면, 플레이트에 에어 포켓을 형성할 수 있는 구조를 구비함으로써 쐐기 효과를 구현함으로써 하중 지지력을 향상시킴과 동시에 댐핑력을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 플레이트의 형상을 변경함으로써 베어링의 냉각 성능이 향상되는 효과가 있다.

Description

에어 포일 베어링{Air foil bearing}

본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하중 지지력과 댐핑력을 향상시킨 에어 포일 베어링에 관한 것이다.

베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전 가능하게 지지하는 기계 요소이다. 볼 베어링이나 저널 베어링은 유막을 이용해 축을 지지하는 방식이고, 포일 베어링은 탑 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 방식의 베어링이다.

에어 포일 베어링은 로터가 고속 회전할 때 로터 또는 베어링 디스크와 접하는 포일 사이에 점성을 갖는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 축 하중을 지지한다.

에어 포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전축을 지지하는데 효과적이므로, 터보 압축기나 터보 쿨러, 터보 발전기, 공기 압축기 등의 회전기기 내에서 고속으로 회전하는 회전축에 적용할 수 있다.

이러한 에어 포일 베어링의 일 예가 한국특허등록 제1396889호에 개시되어 있다.

일반적으로 에어 포일 베어링은 한 쌍의 원판 형상의 플레이트 사이에 범프 포일 및 탑 포일이 배치되는 구조를 갖는다. 에어 포일 베어링의 하중지지 능력은 베어링 내부에 형성되는 공기의 전체 압력에 의해 결정되는 것이므로 전체 압력을 높일 필요가 있다. 그러나 종래의 에어 포일 베어링은 공기의 압력을 높일 수 있는 구조가 없어 하중 지지력을 향상시키기가 어려운 문제가 있다.

한국특허등록 제1396889호(등록일: 2015. 05. 13)

본 발명의 목적은 강성 조절 및 하중 지지력이 향상된 에어 포일 베어링을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 에어 포일 베어링은, 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트 (702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)을 포함하고, 상기 범프 포일(706)은 반경 방향 외측을 향해 연장되고, 원주 방향을 향해서는 순차적으로 1열 내지 4열로 이루어져 길이가 증가되는 판 형태로 형성되며, 상기 플레이트(702)는 상기 범프 포일(706)의 일부를 지지하는 바닥 심(shim)(710)을 포함하되, 상기 바닥 심(710)은 상기 플레이트(702)의 상기 범프 포일(706)을 향하는 판면의 반대쪽 판면으로부터 돌출 형성되고, 상기 바닥 심(710)은 반경 방향에서는 범프 포일(706)의 2열 내지 4열과 겹친 상태로 연장되고, 원주 방향을 향해서는 범프 포일(706) 의 2열에서 4열로 갈수록 길이가 증가되며, 상기 범프 포일(706)의 2열 내지 3열의 내측으로 원호 형상으로 요입된 형태를 갖는다.
상기 바닥 심(710)은 상기 플레이트(702)의 상기 범프 포일(706)을 향하는 판면에 부착되어 상기 범프 포일(706)을 향해 돌출된 것을 특징으로 한다.
상기 범프 포일(706)은 일측이 상기 플레이트(702) 상에 용접 결합되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링은 플레이트에 에어 포켓을 형성할 수 있는 구조를 구비함으로써 쐐기 효과를 구현함으로써 하중 지지력을 향상시킴과 동시에 댐핑력을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 플레이트의 형상을 변경함으로써 베어링의 냉각 성능이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 에어 포일 베어링이 설치된 예를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링을 도시한 평면도,
도 3은 도 2에 따른 에어 포일 베어링의 주요 부분을 도시한 확대도,
도 4는 도 2에 따른 에어 포일 베어링의 주요 부분을 도시한 측면도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 에어 포일 베어링이 설치된 예를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전축이 구비된 기계장치에 설치된다. 본 명세서에서는 편의상 공기 압축기(10)에 장착된 블로어 모터(600)의 모터 샤프트(650)를 지지하는데 에어 포일 베어링(700)이 설치된 것을 예로 들어 설명하고자 한다(그러나 이러한 설명은 하나의 실시 예일 뿐, 회전하는 축을 가진 기계장치 어디에 적용되어도 무방하다).

차량용 공기 압축기(10)는 외관을 형성하는 하우징(100)과, 하우징(100)의 전방에 결합되어 공기를 압축하는 임펠러(400)와, 임펠러(400)를 수용하는 임펠러 수용부(200) 및 임펠러 하우징(300)과, 하우징(100)의 후방에 결합되는 리어 커버(500)와, 하우징(100)의 내부에 설치되어 임펠러(400)를 회전 구동시키는 블로어 모터(600)를 포함하여 구성된다(임펠러 수용부는 하우징의 일부 구성이나, 임펠러를 지지하므로 편의상 별도의 번호를 부여함).

임펠러 하우징(300)의 전방 중앙에는 외부 공기가 유입되는 공기 유입구(310)가 형성되고, 전방 양측에는 공기 토출구(330)가 형성된다. 임펠러(400)는 임펠러 하우징(300)의 내부에 설치되며, 임펠러(400)를 관통하는 중공에 후술할 블로어 모터(600)의 회전축(650)이 결합된다. 즉, 임펠러(400)는 회전축(650)에 의해 지지된다. 임펠러(400)에 의해 공기 유입구(310)를 통해 흡입된 공기는 임펠러(400)에 의해 압축되어 공기 토출구(330)로 배출된다.

블로어 모터(600)는 하우징(100)의 내측에 삽입된 모터 하우징(600a)에 삽입된다. 블로어 모터(600)는 모터 하우징(600a)의 내주면에 인접하게 설치되며 중공(번호 미표기)을 갖는 스테이터(630)와, 스테이터(630)의 중공을 관통하여 설치되는 회전축(650)과, 회전축(650)의 외주면에 결합되는 로터(610)로 구성된다.

모터 샤프트(650)는 일단이 임펠러(400)의 중공에 결합된 상태에서 임펠러(400)의 후방에 설치되는 트러스트 베어링(thrust bearing, 700) 및 저널 베어링(750)에 의해 하우징(100)의 내측에 회전 가능하게 지지되고, 후방 단부 역시 후방 베어링(800)에 의해 회전 가능하게 지지된다.

이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링을 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2에 따른 에어 포일 베어링의 주요 부분을 도시한 확대도이며, 도 4는 도 2에 따른 에어 포일 베어링의 주요 부분을 도시한 측면도이다.

모터 샤프트(650)의 전방 쪽에는 원판 형상의 로터 디스크(700a)가 형성되며, 로터 디스크(700a)의 전방 쪽 일면 및 후방 쪽 타면에 인접하여 트러스트 베어링(700)이 삽입된다(도 1 참조).

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트러스트 베어링(700)은 에어 포일(air foil) 베어링으로, 원판형의 플레이트(702)에 복수의 부채꼴 형상의 범프 포일(706)을 안착시키고 다시 탑 포일(704)로 커버한 형태이다. 트러스트 베어링(700)의 중앙에는 모터 샤프트(650)가 삽입되는 원형의 홀이 형성된다. 모터 샤프트(650)가 트러스트 베어링(700)의 홀에 삽입된 상태에서 범프 포일(706)의 일면은 탑 포일(704)이 로터 디스크(700a)의 일면과 인접하고 타면은 플레이트(702)에 안착된다.

플레이트(702)는 소정의 두께가 있는 원판 형태로, 중앙에 모터 샤프트(650)가 삽입되는 중공이 형성된다. 플레이트(702) 상에는 범프 포일(706)의 일측이 먼저 용접되고, 범프 포일(706)의 상부에 탑 포일(704)의 일측이 용접된다.

탑 포일(704)은 일단이 플레이트(702)에 고정되고 타단이 플레이트(702)와 이격되어 변형되는 자유단으로 형성된다.

범프 포일(706)은 판 형태로 형성되며, 탑 포일(704)의 고정단과 자유단의 사이에서 탑 포일(704)과 접촉된다. 범프 포일(706)의 내경 쪽 및 외경 쪽의 호 형상 부위는 플레이트(702)의 내주 및 외주의 곡률에 대응하는 곡률을 갖는다. 범프 포일(706)의 내경 및 외경 쪽 호 형상 부위의 양측은 직선 형태를 이루며, 이 직선 형태의 일측이 플레이트(702) 상에 용접되는 것이다. 용접되지 않은 타측은 탑 포일(704)과 플레이트(702)의 사이에서 자유단을 이룬다.

모터 샤프트(650)에 의해 로터(630)가 고속으로 회전함에 따라 로터 디스크(700a)에 에어 포일 사이에 점성을 갖는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 회전 시 하중을 지지한다. 또한, 범프 포일(706)이 변형되면서 압력에 의한 충격을 완화하는 댐핑 작용을 하며, 범프 포일(706)의 변형과 함께 플레이트(702)의 변형이 일어나는 경우 댐핑력이 향상될 수 있다.
상기 범프 포일(706)은 반경 방향 외측을 향해 연장되고, 원주 방향을 향해서는 순차적으로 1열 내지 4열로 이루어져 길이가 증가되는 판 형태로 형성된다.

플레이트(702)에는 범프 포일(706)을 향하는 판면의 반대쪽 판면에 복수의 바닥 심(shim)(710)이 형성된다. 바닥 심(710)은 범프 포일(706)을 향하는 판면의 반대쪽 판면으로부터 돌출 형성될 수 있으며, 일 예로 플레이트(702)와 일체로 형성될 수도 있고, 플레이트(702)와 별도의 소재를 부착하는 방식으로 형성될 수도 있다.

바닥 심(710)은 반경 방향에서는 범프 포일(706)의 2열 내지 4열과 겹친 상태로 연장되고, 원주 방향을 향해서는 범프 포일(706)의 2열에서 4열로 갈수록 길이가 증가되며, 상기 범프 포일(706)의 2열 내지 3열의 내측으로 원호 형상으로 요입된 형태로 형성된다.

예를 들어, 범프 포일(706) 1열 내지 4열로 구성되고, 1열이 내경 쪽으로 그 길이가 짧으며 4열이 외경 쪽으로 길이가 가장 긴 형태를 가질 수 있다. 이때 바닥 심(710)은 2열 내지 4열 쪽 직선 부위를 지지하고 4열의 전체 길이 중 80% 이상을 지지하는 형태로 구비될 수 있다. 또한, 바닥 심(710)은 일측이 2열 및 3열의 내측으로 원호 형상으로 요입된 형태를 가질 수 있다. 즉, 바닥 심(710)은 로터의 회전 방향 쪽으로 요입된 부분을 가지며, 회전 방향 쪽의 범프 포일(706)을 지지하는 형상을 갖는다(도 3의 로터 회전 방향 참조). 이러한 형상은 트러스트 베어링(700) 내의 공기를 가두는 영역인 에어 포켓의 형상에 대응하는 것으로, 에어 포켓의 형상이 변형되지 않으면서 댐핑령 및 하중 지지력을 향상시키기 위한 것이다.

바닥 심(710)이 구비된 부위와 구비되지 않은 부분은 플레이트(702)가 임펠러 수용부(200)에 접촉될 때 단차가 생기므로, 바닥 심(710)이 구비되지 않은 부분은 플레이트(702)에 압력에 의한 변형이 발생하게 된다. 바닥 심(710)이 구비된 부분은 바닥 심(710)이 지지하고 있으므로 플레이트(702)에 변형이 발생되지 않는다.

로터(630)의 회전(도 4의 로터 회전 방향 참조)에 따라 로터 디스크(700a)가 회전하면서 압력이 발생하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 샤프트(650)의 축 방향(화살표 방향)으로 압력이 가해진다. 이때, 바닥 심(710)이 있는 부분은 바닥 심(710)의 두께 만큼의 간격을 두고 임펠러 수용부(200)에 접촉하게 되고, 바닥 심(710)이 없는 부분은 바닥 심(710)의 두께 만큼의 공간을 더 갖게 된다. 바닥 심(710)이 없는 부분은 바닥 심(710)이 있는 부분보다 상대적으로 압력에 의해 잘 눌리게 된다. 따라서 바닥 심(710)이 없는 부분은 압력에 의해 가압되는 변위가 바닥 심(710)이 있는 부분 보다 커진다. 또한, 바닥 심(710)이 없는 부분은 압력이 플레이트(702)까지 전달되므로, 범프 포일(706) 뿐만 아니라 플레이트(702)의 변형을 유도하게 된다. 따라서 범프 포일(706) 및 플레이트(702)의 축방향 변형량이 커져 댐핑력이 향상되는 효과가 있다.

또한, 바닥 심(710)의 형상이 에어 포켓의 형상을 반영하여 범프 포일(706) 내측으로 요입된 형상이 되므로 에어 포켓 영역의 쐐기 효과(유체가 저장되는 공간이 쐐기형으로 좁아지면 유체의 점성에 의해 유체가 당겨져 쐐기형의 틈새로 밀려 들어가면서 동압(압력)이 발생하고, 이 압력에 의해 하중이 지지되는 효과)를 유발하여 하중 지지력을 향상시키는 효과가 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.

10: 공기 압축기 100: 하우징
200: 임펠러 수용부 300: 임펠러 하우징
310: 공기 유입구 330: 공기 토출구
400: 임펠러 500: 리어 커버
600: 블로어 모터 600a: 모터 하우징
610: 로터 630: 스테이터
650: 모터 샤프트 700: 트러스트 베어링
702: 플레이트 704: 탑 포일
706: 범프 포일 710: 바닥 심

Claims (6)

1. 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트 (702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)을 포함하고,
   상기 범프 포일(706)은 반경 방향 외측을 향해 연장되고, 원주 방향을 향해서는 순차적으로 1열 내지 4열로 이루어져 길이가 증가되는 판 형태로 형성되며,
   상기 플레이트(702)는 상기 범프 포일(706)의 일부를 지지하는 바닥 심(shim)(710)을 포함하되, 상기 바닥 심(710)은 상기 플레이트(702)의 상기 범프 포일(706)을 향하는 판면의 반대쪽 판면으로부터 돌출 형성되고, 상기 바닥 심(710)은 반경 방향에서는 범프 포일(706)의 2열 내지 4열과 겹친 상태로 연장되고, 원주 방향을 향해서는 범프 포일(706) 의 2열에서 4열로 갈수록 길이가 증가되며, 상기 범프 포일(706)의 2열 내지 3열의 내측으로 원호 형상으로 요입된 형태를 갖는 에어 포일 베어링.
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3. 제1항에 있어서,
   상기 바닥 심(710)은 상기 플레이트(702)의 상기 범프 포일(706)을 향하는 판면에 부착되어 상기 범프 포일(706)을 향해 돌출된 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 범프 포일(706)은 일측이 상기 플레이트(702) 상에 용접 결합되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
   
6. 삭제

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