KR102590215B1 - 에어 포일 스러스트 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링은, 베이스 플레이트; 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베이스 플레이트에 적층되어 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 범프 포일; 및 상기 범프 포일을 덮도록 적층되며, 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 탑 포일; 을 포함하여 이루어지고, 상기 범프 포일은 반경방향으로 외경쪽에 인접한 일부 영역의 탄성 범프들의 높이가 나머지 영역의 탄성 범프들의 높이보다 낮게 형성되어, 회전체의 속도에 따른 에너지 손실이 가장 큰 영역과 가진 시 1차 댐핑 마찰부가 분리되어 보다 높은 내구성을 갖는 에어 포일 스러스트 베어링에 관한 것이다.

Description

에어 포일 스러스트 베어링 {Air foil thrust bearing}
본 발명은 모터의 회전력을 이용해 임펠러를 고속으로 회전시켜 공기를 압축하여 공급하는 터보 블로워 또는 터보 압축기 등에서 회전축에 작용하는 축방향 하중을 지지하는 에어 포일 스러스트 베어링에 관한 것이다.
터보 블로워나 터보 압축기 등에는 축방향의 하중을 지지할 수 있도록 스러스트 베어링이 사용되는데, 고속으로 회전하는 회전축의 축방향 하중을 지지하기 위해 스러스트 베어링 중 에어 포일 스러스트 베어링이 주로 사용되고 있다.
종래의 에어 포일 스러스트 베어링은 도 1과 같이 도넛 형상의 판으로 형성된 베이스 플레이트(10), 원주방향을 따라 서로 이격되어 배열된 복수의 범프 포일(20) 및 각각의 범프 포일(20) 위에 배치된 복수의 탑 포일(30)로 구성된다.
여기에서 에어 포일 스러스트 베어링은 베이스 플레이트(10)의 위에 복수의 범프 포일(20)이 스폿 용접되어 고정되며, 각각의 범프 포일(20)의 위에 탑 포일(30)이 배치된 후 베이스 플레이트(10)에 탑 포일(30)들이 스폿 용접에 의해 고정된다. 그리고 이러한 에어 포일 스러스트 베어링은 터보 블로워 등에 장착되어 사용될 때, 회전축에 결합되어 함께 회전되는 원판형의 스러스트 러너와 에어 포일 스러스트 베어링의 탑 포일 간 접촉에 의해 많은 마찰열이 발생하게 된다.
여기에서 종래의 에어 포일 스러스트 베어링은 회전체인 스러스트 러너가 원운동하기 때문에 각속도는 같으나 반경방향 위치에 따른 선속도는 외경측으로 갈수록 점점 증가한다. 그런데 증가된 선속도에 따라 에어 포일 스러스트 베어링의 탑 포일과 회전체 사이로 유동되는 공기에 의한 하중 지지력은 높아지지만 공기와 탑 포일의 마찰로 인해 높은 발열을 발생시키게 되며, 회전체가 약 10만 RPM을 상회하는 고속 회전 시 외경측의 경우 높은 에너지 손실(발열)로 인해 탑 포일 표면의 코팅층에 손상(열흔)이 발생하게 된다. 또한, 가진 시 범프 포일의 탄성 범프 높이가 가장 높은 곳(주요 가진 지지부)에 대응되는 탑 포일 영역에서 먼저 마찰이 발생하게 된다. 즉, 도 2와 같이 종래의 에어 포일 저널 베어링은 탑 포일(30) 상에서 에너지 손실이 가장 높은 영역(A1)과 주요 가진 지지부(A2)가 일부 중첩되므로 내구성이 저하되는 단점이 있다.
KR 10-0954066 B1 (2010.04.13.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 회전체의 회전 속도에 따른 에너지 손실이 가장 큰 부분과 가진 시 먼저 하중을 지지하여 1차로 댐핑 마찰을 일으키는 주요 가진 지지부분이 분리되도록 함으로써, 내구성을 향상시킬 수 있는 에어 포일 스러스트 베어링을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링은, 베이스 플레이트; 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베이스 플레이트에 적층되어 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 범프 포일; 및 상기 범프 포일을 덮도록 적층되며, 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 탑 포일; 을 포함하여 이루어지고, 상기 범프 포일은 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역의 탄성 범프들의 높이가 반경방향으로 나머지 영역의 탄성 범프들의 높이보다 낮게 형성될 수 있다.
또한, 상기 범프 포일은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿이 형성될 수 있다.
또한, 상기 범프 포일은 특정한 반경 상에서 원주방향 타단인 자유단에서부터 일측으로 일부 영역에 해당되는 탄성 범프들은 높이가 동일하게 형성될 수 있다.
그리고 본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링은, 베이스 플레이트; 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베이스 플레이트에 적층되어 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 범프 포일; 상기 범프 포일을 덮도록 적층되며, 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 탑 포일; 및 상기 범프 포일의 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역을 제외한 반경방향으로 나머지 영역에 대응되는 부분에, 상기 베이스 플레이트와 범프 포일 사이에 개재된 인서트 플레이트; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 범프 포일은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿이 형성될 수 있다.
또한, 상기 범프 포일은 특정한 반경 상에서 원주방향 타단인 자유단에서부터 일측으로 일부 영역에 해당되는 탄성 범프들은 높이가 동일하게 형성될 수 있다.
삭제
그리고 본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링은, 베이스 플레이트; 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베이스 플레이트에 적층되어 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 범프 포일; 및 상기 범프 포일을 덮도록 적층되며, 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 탑 포일; 을 포함하여 이루어지고, 상기 베이스 플레이트는, 상기 범프 포일의 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역의 탄성 범프들에 대응되는 부분에 원주방향을 따라 오목한 단차홈이 형성될 수 있다.
또한, 상기 범프 포일은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿이 형성될 수 있다.
또한, 상기 범프 포일은 특정한 반경 상에서 원주방향 타단인 자유단에서부터 일측으로 일부 영역에 해당되는 탄성 범프들은 높이가 동일하게 형성될 수 있다.
삭제
또한, 본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링은, 범프 포일이 제1플레이트와 일체로 형성되어 범프 포일이 상기 제1플레이트에 연결되어 있고, 상기 범프 포일에는 요철 형상의 탄성 범프가 형성된 범프 포일 플레이트; 및 탑 포일이 제2플레이트와 일체로 형성되어 탑 포일이 상기 제2플레이트에 연결되며, 상기 탑 포일이 범프 포일을 덮도록 상기 범프 포일 플레이트에 적층된 탑 포일 플레이트; 를 포함하여 이루어지고, 상기 범프 포일은, 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역의 탄성 범프들의 높이가 반경방향으로 나머지 영역의 탄성 범프들의 높이보다 낮게 형성될 수 있다.
또한, 상기 범프 포일 플레이트의 범프 포일은 복수로 구성되고, 상기 복수의 범프 포일은 각각 원주방향 일단이 상기 제1플레이트에 연결되며, 상기 복수의 범프 포일은 원주방향을 따라 서로 이격되어 배열되며, 상기 탑 포일 플레이트의 탑 포일은 복수로 구성되고, 상기 복수의 탑 포일은 각각 원주방향 일단이 상기 제2플레이트에 연결되며, 상기 복수의 탑 포일은 원주방향을 따라 서로 이격되어 상기 복수의 범프 포일에 대응되는 위치에 배열될 수 있다.
또한, 상기 범프 포일은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿이 형성될 수 있다.
또한, 상기 탑 포일 플레이트가 적층된 범프 포일 플레이트의 반대쪽 면에 적층되며, 상기 범프 포일의 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역을 제외한 반경방향으로 나머지 영역에 대응되는 부분에 배치된 인서트 플레이트를 더 포함하고, 상기 인서트 플레이트에 의해 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역의 탄성 범프들의 높이가 반경방향으로 나머지 영역의 탄성 범프들의 높이보다 낮게 형성될 수 있다.
삭제
또한, 상기 탑 포일 플레이트가 적층된 범프 포일 플레이트의 반대쪽 면에 적층된 베어링 하우징을 더 포함하고, 상기 베어링 하우징은, 상기 범프 포일의 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역의 탄성 범프들에 대응되는 부분에 원주방향을 따라 오목한 단차홈이 형성되며, 상기 베어링 하우징의 단차홈에 의해 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역의 탄성 범프들의 높이가 반경방향으로 나머지 영역의 탄성 범프들의 높이보다 낮게 형성될 수 있다.
삭제
본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링은, 회전체의 속도에 따른 에너지 손실이 가장 큰 영역과 가진 시 1차 댐핑 마찰부가 분리되어 보다 높은 내구성을 갖는 장점이 있다.
도 1은 종래의 에어 포일 스러스트 베어링을 나타낸 사시도이다.
도 2는 종래의 에어 포일 스러스트 베어링에서 에너지 손실이 가장 큰 영역과 주요 가진 지지부를 나타낸 부분 평면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 나타낸 분해사시도, 조립사시도 및 상측 평면도이다.
도 6 및 도 7은 도 5의 A-A' 단면도 및 B-B' 단면도이다.
도 8은 도 7의 단면에서 회전체인 스러스트 러너가 고속으로 회전되는 상태에서 탑 포일에 접촉되었을 때 탑 포일의 일부가 탄성 변형된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링에서 범프 포일의 일실시예를 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 반경방향으로 자른 일부분을 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 반경방향으로 자른 일부분을 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 에어 포일 스러스트 베어링에서 범프 포일을 나타낸 평면도이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 나타낸 분해사시도, 조립사시도 및 상측 평면도이다.
도 16은 도 15의 C-C' 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제5실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 반경방향으로 자른 일부분을 나타낸 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제6실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 반경방향으로 자른 일부분을 나타낸 단면도이다.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
<실시예 1>
도 3 내지 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 나타낸 분해사시도, 조립사시도 및 상측 평면도이며, 도 6 및 도 7은 도 4의 A-A' 단면도 및 B-B' 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링은 크게 베이스 플레이트(100), 범프 포일(200) 및 탑 포일(300)로 구성될 수 있다.
베이스 플레이트(100)는 중앙부에 두께방향으로 양면을 관통하는 중공홀이 형성된 원판 형태로 형성될 수 있다.
범프 포일(200)은 복수개로 구성되어 원주방향을 따라 서로 이격되어 배열될 수 있다. 그리고 범프 포일(200)들은 각각 원주방향 일측 단부인 결합부(210)만 베이스 플레이트(100)에 용접 등으로 결합되어 고정될 수 있으며, 원주방향 타측 단부는 자유단으로 형성될 수 있다. 그리고 범프 포일(200)들은 각각 요철 형상의 탄성 범프(220)들이 형성될 수 있고, 탄성 범프(220)들은 베이스 플레이트(100) 상에 하단이 접촉되어 있지만 고정되지 않고 분리되어 있을 수 있다. 즉, 범프 포일(200)은 결합부(210)를 제외한 나머지 부분이 베이스 플레이트(100)와 결합되어 있지 않고 떨어져 있는 상태가 될 수 있으며, 탄성 범프(220)들은 베이스 플레이트(100)에 맞닿아 있거나 약간의 간극이 있는 상태가 될 수 있다.
탑 포일(300)은 복수개로 구성되어 원주방향을 따라 서로 이격되게 배열될 수 있다. 그리고 탑 포일(300)들은 각각 원주방향 일측 단부인 결합부(310)만 베이스 플레이트(100)에 용접 등으로 결합되어 고정될 수 있으며, 원주방향 타측 단부는 자유단으로 형성될 수 있다. 이때, 탑 포일(300)들은 범프 포일(200)들에 대응되는 위치에 배치되어, 탑 포일(300)이 범프 포일(200)을 덮고있는 형태로 적층될 수 있다. 즉, 베이스 플레이트(100)와 탑 포일(300) 사이에 범프 포일(200)이 개재된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 도 5와 같이 특정한 반경 상에서 원주방향을 따라 자른 단면을 보았을 때, 탑 포일(300)은 원주방향을 따라 결합부(310)에서 연결부(320)가 우측 상방을 향해 곡면 또는 평면 형태로 연장 형성되고, 연결부(320)에서 평평한 형태의 평면부(330)가 연장 형성되며, 평면부(330)는 베이스 플레이트(100)와 나란하게 형성될 수 있다. 그리고 범프 포일(200)은 특정한 반경 상에서 원주방향 타단인 자유단에서부터 일측 방향으로 일부 영역에 대응되는 즉, 탑 포일(300)의 평면부(330)에 대응되는 탄성 범프(220)들은 서로 높이가 동일하게 형성될 수 있으며, 탑 포일(300)의 연결부(320)에 대응되는 영역의 탄성 범프(220)들은 상대적으로 높이가 낮게 형성될 수 있다. 연결부(320)의 하면과 탄성 범프(220)들의 산 사이가 이격되어 있을 수 있다.
여기에서 도 7을 참조하면, 탑 포일(300)의 평면부(330)가 위치한 부분에서 반경방향으로 자른 단면을 보았을 때, 범프 포일(200)은 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역의 탄성 범프(220)의 높이(h4)가 나머지 영역인 반경방향으로 내경쪽에 인접한 영역 및 중앙부 영역의 탄성 범프(220)들의 높이(h1, h2, h3)보다 낮게 형성될 수 있다. 이때, 반경방향으로 외경쪽에 인접한(우측의) 하나의 탄성 범프를 외경측 탄성 범프, 반경방향으로 내경쪽에 인접한(좌측의) 다른 하나의 탄성 범프를 내경측 탄성 범프, 반경방향으로 중앙부에 위치한 나머지 두 개의 탄성 범프를 중앙부 탄성 범프라고 하면, 공기의 압력 등 외력이 작용하지 않는 상태에서 탑 포일(300)은 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프들의 산에 접촉될 수 있으며, 이 상태에서 외경측 탄성 범프의 산은 높이차(△h)로 인해 탑 포일(300)과 이격된 상태가 될 수 있다. 그리고 외경측 탄성 범프, 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프는 반경방향으로 연속된 하나의 탑 포일에 의해 덮혀있을 수 있다.
그리하여 도 8과 같이 에어 포일 스러스트 베어링을 반경방향으로 자른 단면을 보면, 회전체인 스러스트 러너(400)가 고속으로 회전되는 상태에서 축방향 하중 또는 가진 등으로 인해 스러스트 러너(400)가 탑 포일(300)에 접촉되었을 때, 스러스트 러너(400)와 탑 포일(300)의 사이로 유동되는 공기의 압력에 의해 외경측 탄성 범프가 위치한 부분에 대응되는 영역의 탑 포일(300)은 탄성 범프쪽으로 휘어져서 스러스트 러너(400)와 접촉되지 않을 수 있다. 즉, 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역에서는 상대적으로 선속도가 빨라 공기와의 마찰로 인한 에너지 손실(발열)이 상대적으로 큰 부분인데, 이 부분을 제외한 나머지 부분이 하중을 지지하면서 스러스트 러너(400)와 탑 포일(300)이 직접 접촉되어 댐핑 및 마찰될 수 있다. 그리고 스러스트 러너(400)는 가진 등으로 인해 탑 포일(300)에 접촉될 때 탑 포일(300)의 평면부(330)에 먼저 접촉되어 1차적으로 댐핑 및 마찰이 일어나는데, 도시된 바와 같이 범프 포일(200)의 내경측 탄성 범프와 중앙부 탄성 범프들이 존재하는 영역에 대응되는 부분의 탑 포일(300)의 평면부(330)가 1차적으로 스러스트 러너(400)의 하중을 지지하는 주요 가진 지지부가 된다.
이에 따라 본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링은, 회전체의 속도에 따른 에너지 손실이 가장 큰 영역과 가진 시 1차 댐핑 마찰부가 중첩되지 않고 서로 다른 위치에 형성되므로 보다 높은 내구성을 가질 수 있다. 또한, 에너지 손실이 가장 큰 영역인 외경측에서 스러스트 러너와 탑 포일 간의 직접적인 마찰이 줄어들게 되므로, 탑 포일 표면에 코팅된 코팅층의 손상(열흔)도 발생하지 않을 수 있는 효과가 있다.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링에서 범프 포일의 일실시예를 나타낸 사시도이다.
도시된 바와 같이, 범프 포일(200)은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿(230)들이 형성될 수 있다. 즉, 일례로 슬릿(230)들에 의해 범프 포일(200)의 탄성 범프(220)들이 형성된 영역이 반경방향으로 3개의 부분으로 갈라져 있는 형태로 형성될 수 있다. 이때, 3개의 부분은 일측 단부인 결합부(210)에 의해 서로 연결되어 있는 상태일 수 있다.
<실시예 2>
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 반경방향으로 자른 일부분을 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링은 크게 베이스 플레이트(100), 범프 포일(200), 탑 포일(300) 및 인서트 플레이트(150)로 구성될 수 있다. 여기에서 베이스 플레이트(100) 및 탑 포일(300)은 상기한 제1실시예와 동일하게 형성될 수 있다. 그리고 범프 포일(200)은 반경방향으로 가면서 배치된 탄성 범프(220)들 자체의 높이는 모두 같게 형성될 수 있으며, 나머지 범프 포일(200)의 구성은 상기한 제1실시예와 동일하게 형성될 수 있다. 인서트 플레이트(150)는 두께가 얇은 평판 형태로 형성되어 베이스 플레이트(100)와 범프 포일(200)의 사이에 개재될 수 있다. 이때, 인서트 플레이트(150)는 반경방향으로 내경측 탄성 범프(220)와 중앙부 탄성 범프(220)들이 존재하는 영역에 배치될 수 있다. 그리하여 인서트 플레이트(150)에 의해 결과적으로 베이스 플레이트(100)의 상면을 기준으로 하여 내경측 탄성 범프(220) 및 중앙부 탄성 범프(220)들의 높이가 상대적으로 높아지고, 이에 비해 외경측 탄성 범프(220)의 높이는 상대적으로 낮아지게 된다.
이에 따라 인서트 플레이트를 이용해 탄성 범프들 간의 높이차(△h)를 형성할 수 있으며, 높이차의 정도를 용이하게 조절할 수 있다. 그리고 제1실시예와 마찬가지로 에어 포일 스러스트 베어링의 내구성을 향상시킬 수 있다.
<실시예 3>
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 반경방향으로 자른 일부분을 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제3실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링은 크게 베이스 플레이트(100), 범프 포일(200) 및 탑 포일(300)로 구성될 수 있다. 여기에서 탑 포일(300)은 상기한 제1실시예와 동일하게 형성될 수 있다. 그리고 범프 포일(200)은 반경방향으로 가면서 배치된 탄성 범프(220)들 자체의 높이는 모두 같게 형성될 수 있으며, 나머지 범프 포일(200)의 구성은 상기한 제1실시예와 동일하게 형성될 수 있다. 베이스 플레이트(100)는 제1실시예와 전반적인 형태는 같으며, 단차홈만 차이가 있게 형성될 수 있다. 즉, 범프 포일(200)의 외경측 탄성 범프(220)에 대응되는 부분에서 베이스 플레이트(100)의 상면에는 원주방향을 따라 오목하게 단차홈(110)이 형성될 수 있다. 그리하여 외경측 탄성 범프(220)가 베이스 플레이트(100)의 단차홈(110)에 삽입되어 안치된 상태가 될 수 있다. 그리하여 베이스 플레이트(100)의 단차홈(110)에 의해 결과적으로 베이스 플레이트(100)의 상면을 기준으로 하여 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프들의 높이가 상대적으로 높아지고, 이에 비해 외경측 탄성 범프의 높이는 상대적으로 낮아지게 된다.
이에 따라 베이스 플레이트의 단차홈을 이용해 탄성 범프들 간의 높이차(△h)를 형성할 수 있으며, 별도의 추가 부품 없이도 높이차를 형성할 수 있다. 그리고 제1실시예와 마찬가지로 에어 포일 스러스트 베어링의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 탄성 범프들의 높이차는 0.01mm~0.2mm 범위가 될 수 있으며, 탄성 범프들의 높이차가 0.01mm보다 작으면 본 발명의 효과가 나타나지 않고 높이차가 0.2mm보다 크면 높은 발열이 야기될 수 있다.
<실시예 4>
도 13 내지 도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 나타낸 분해사시도, 조립사시도 및 상측 평면도이며, 도 16은 본 발명의 제4실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링의 C-C' 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제4실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링은 크게 범프 포일 플레이트(500) 및 탑 포일 플레이트(600)로 구성될 수 있다.
범프 포일 플레이트(500)는 제1플레이트(510) 및 복수의 범프 포일(520)을 포함하고, 제1플레이트(510)와 각각의 범프 포일(520)이 일체로 연결되어 있는 형태로 형성될 수 있다. 그리고 범프 포일(520)들은 원주방향을 따라 서로 이격되게 배열될 수 있고, 범프 포일(520)들은 각각의 일단이 제1플레이트(510)에 연결되어 있으며 연결된 일단을 제외한 나머지 부분은 제1플레이트(510)와 이격되어 있을 수 있다. 즉, 범프 포일(520)들은 원주방향 일단만 제1플레이트(510)에 연결되어 있고, 원주방향 내측과 외측 및 타단은 제1플레이트(510)와 연결되어 있지 않고 떨어져 있을 수 있다. 또한, 범프 포일(520)은 요철 형상의 탄성 범프(522)들이 형성되어 주름진 형태 또는 물결 형태 등으로 형성될 수 있으며, 탄성 범프(522)들이 제1플레이트(510)의 상면보다 상측으로 돌출되어 있는 형태로 범프 포일(520)이 형성될 수 있다. 또한, 범프 포일(520)들은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿(523)들이 형성될 수 있다. 즉, 일례로 슬릿(523)들에 의해 범프 포일(520)의 탄성 범프(522)들이 형성된 영역이 반경방향으로 3개의 부분으로 갈라져 있는 형태로 형성될 수 있다. 이때, 3개의 부분의 일단은 제1플레이트(510)에 연결되어 있는 상태일 수 있다.
탑 포일 플레이트(600)는 제2플레이트(610) 및 복수개의 탑 포일(620)을 포함하고, 제2플레이트(610)와 각각의 탑 포일(620)이 일체로 연결되어 있는 형태로 형성될 수 있다. 그리고 탑 포일(620)들은 원주방향을 따라 서로 이격되게 배열될 수 있으며, 원주방향 일단이 제2플레이트(610)에 연결되어 있고 일단을 제외한 나머지 부분은 제2플레이트(610)와 이격되어 있을 수 있다. 즉, 탑 포일(620)들은 원주방향 일단만 제2플레이트(610)에 연결되어 있고, 원주방향 내측과 외측 및 타단은 제2플레이트(610)와 연결되어 있지 않고 분리되어 있을 수 있다. 또한, 탑 포일(620)들은 제2플레이트(610)와 연결된 지점에서 원주방향으로 가면서 볼록하게 연결부(621)가 연장 형성되며, 연결부(621)의 단부에서 제2플레이트(610)와 평행하게 평면부(622)가 연장 형성된 형태로 형성될 수 있다.
그리하여 범프 포일 플레이트(500)에서 범프 포일(520)의 탄성 범프(522)들이 돌출되어 있는 쪽의 면과 탑 포일 플레이트(600)에서 탑 포일(620)의 연결부(621)가 돌출 형성된 반대쪽 면이 서로 마주보도록 적층되어 하나의 에어 포일 스러스트 베어링이 구성될 수 있다. 그리고 본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링은 범프 포일 플레이트(500)의 탑 포일 플레이트(600)와 마주보는 반대측 면이 베어링 하우징(800)에 접촉되어 받쳐지도록 결합될 수 있다. 여기에서 베어링 하우징(800)은 터보 블로워나 공기 압축기 등에서 에어 포일 스러스트 베어링이 안치되어 장착되는 부분이 될 수 있다. 그리고 본 발명의 제4실시예에서는 제1실시예와 마찬가지로 탑 포일(620)의 평면부(622)가 위치한 부분에서 반경방향으로 자른 단면을 보았을 때, 범프 포일(520)은 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역의 탄성 범프(522)의 높이(h4)가 나머지 영역인 반경방향으로 내경쪽에 인접한 영역 및 중앙부 영역의 탄성 범프(522)들의 높이(h1, h2, h3)보다 낮게 형성될 수 있다. 이때, 반경방향으로 외경쪽에 인접한(우측의) 하나의 탄성 범프를 외경측 탄성 범프, 반경방향으로 내경쪽에 인접한(좌측의) 다른 하나의 탄성 범프를 내경측 탄성 범프, 반경방향으로 중앙부에 위치한 나머지 두 개의 탄성 범프를 중앙부 탄성 범프라고 하면, 공기의 압력 등 외력이 작용하지 않는 상태에서 탑 포일(620)은 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프들의 산에 접촉될 수 있으며, 이 상태에서 외경측 탄성 범프의 산은 높이차(△h)로 인해 탑 포일(620)과 이격된 상태가 될 수 있다.
그리하여 본 발명의 제1실시예와 마찬가지로 회전체인 스러스트 러너가 고속으로 회전되는 상태에서 축방향 하중 또는 가진 등으로 인해 스러스트 러너가 탑 포일에 접촉되었을 때, 스러스트 러너와 탑 포일의 사이로 유동되는 공기의 압력에 의해 외경측 탄성 범프가 위치한 부분에 대응되는 영역의 탑 포일(620)은 탄성 범프(522)쪽으로 휘어져서 스러스트 러너와 접촉되지 않을 수 있다. 즉, 반경방향으로 외경쪽에 인접한 영역에서는 상대적으로 선속도가 빨라 공기와의 마찰로 인한 에너지 손실(발열)이 상대적으로 큰 부분인데, 이 부분을 제외한 나머지 부분이 하중을 지지하면서 스러스트 러너와 탑 포일(620)이 직접 접촉되어 댐핑 및 마찰될 수 있다. 그리고 스러스트 러너는 가진 등으로 인해 탑 포일(620)에 접촉될 때 탑 포일(620)의 평면부(622)에 먼저 접촉되어 1차적으로 댐핑 및 마찰이 일어나는데, 도시된 바와 같이 범프 포일(520)의 내경측 탄성 범프와 중앙부 탄성 범프들이 존재하는 영역에 대응되는 부분의 탑 포일(620)의 평면부(622)가 1차적으로 스러스트 러너의 하중을 지지하는 주요 가진 지지부가 된다.
이에 따라 본 발명의 에어 포일 스러스트 베어링은, 회전체의 속도에 따른 에너지 손실이 가장 큰 영역과 가진 시 1차 댐핑 마찰부가 중첩되지 않고 서로 다른 위치에 형성되므로 보다 높은 내구성을 가질 수 있다. 또한, 에너지 손실이 가장 큰 영역인 외경측에서 스러스트 러너와 탑 포일 간의 직접적인 마찰이 줄어들게 되므로, 탑 포일 표면에 코팅된 코팅층의 손상(열흔)도 발생하지 않을 수 있는 효과가 있다.
<실시예 5>
도 17은 본 발명의 제5실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 반경방향으로 자른 일부분을 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제5실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링은 크게 범프 포일 플레이트(500), 탑 포일 플레이트(600) 및 인서트 플레이트(700)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서 탑 포일 플레이트(600)는 상기한 제4실시예와 동일하게 형성될 수 있다. 그리고 범프 포일 플레이트(500)는 반경방향으로 가면서 배치된 탄성 범프(220)들 자체의 높이는 모두 같게 형성될 수 있으며, 나머지 제1플레이트(510)와 범프 포일(520)들의 구성은 상기한 제4실시예와 동일하게 형성될 수 있다. 인서트 플레이트(700)는 두께가 얇은 평판 형태로 형성될 수 있고, 탑 포일 플레이트(600)가 적층된 범프 포일 플레이트(500)의 반대쪽 면에 인서트 플레이트(700)가 적층될 수 있다. 그리하여 베어링 하우징(800)이 있는 경우 베어링 하우징(800)과 범프 포일 플레이트(500)의 사이에 개재될 수 있다. 그리고 인서트 플레이트(700)는 범프 포일(520)의 반경방향으로 외경쪽에 인접한 일부 영역을 제외한 나머지 영역에 대응되는 부분에 배치될 수 있다. 즉, 인서트 플레이트(700)는 반경방향으로 내경측 탄성 범프(522)와 중앙부 탄성 범프(522)들이 존재하는 영역에 배치될 수 있다. 그리하여 인서트 플레이트(700)에 의해 결과적으로 베어링 하우징(800)의 상면을 기준으로 하여 내경측 탄성 범프(522) 및 중앙부 탄성 범프(522)들의 높이가 상대적으로 높아지고, 이에 비해 외경측 탄성 범프(522)의 높이는 상대적으로 낮아지게 된다.
이에 따라 인서트 플레이트를 이용해 탄성 범프들 간의 높이차(△h)를 형성할 수 있고 높이차의 정도를 용이하게 조절할 수 있으며, 에어 포일 스러스트 베어링의 내구성을 향상시킬 수 있다.
<실시예 6>
도 18은 본 발명의 제6실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링을 반경방향으로 자른 일부분을 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제6실시예에 따른 에어 포일 스러스트 베어링은 크게 범프 포일 플레이트(500), 탑 포일 플레이트(600) 및 베어링 하우징(800)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서 탑 포일 플레이트(600)는 상기한 제4실시예와 동일하게 형성될 수 있다. 그리고 범프 포일 플레이트(500)는 반경방향으로 가면서 배치된 탄성 범프(522)들 자체의 높이는 모두 같게 형성될 수 있으며, 나머지 범프 포일(520)의 구성은 상기한 제4실시예와 동일하게 형성될 수 있다. 베어링 하우징(800)은 범프 포일 플레이트(500)의 외경측 탄성 범프(522)에 대응되는 부분에서 베어링 하우징(800)의 상면에는 원주방향을 따라 오목하게 단차홈(810)이 형성될 수 있다. 그리하여 외경측 탄성 범프(522)가 베어링 하우징(800)의 단차홈(810)에 삽입되어 안치된 상태가 될 수 있다. 그리하여 베어링 하우징(800)의 단차홈(810)에 의해 결과적으로 베어링 하우징(800)의 상면을 기준으로 하여 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프들의 높이가 상대적으로 높아지고, 이에 비해 외경측 탄성 범프의 높이는 상대적으로 낮아지게 된다.
이에 따라 베어링 하우징의 단차홈을 이용해 탄성 범프들 간의 높이차(△h)를 형성할 수 있으며, 별도의 추가 부품 없이도 높이차를 형성할 수 있으며 에어 포일 스러스트 베어링의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 탄성 범프들의 높이차는 0.01mm~0.2mm 범위가 될 수 있으며, 탄성 범프들의 높이차가 0.01mm보다 작으면 본 발명의 효과가 나타나지 않고 높이차가 0.2mm보다 크면 높은 발열이 야기될 수 있다.
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 : 베이스 플레이트 110 : 단차홈
150 : 인서트 플레이트
200 : 범프 포일
210 : 결합부 220 : 탄성 범프
230 : 슬릿
300 : 탑 포일
310 : 결합부 320 : 연결부
330 : 평면부
400 : 스러스트 러너
500 : 범프 포일 플레이트 510 : 제1플레이트
520 : 범프 포일 522 : 탄성 범프
523 : 슬릿
600 : 탑 포일 플레이트 610 : 제2플레이트
620 : 탑 포일 621 : 연결부
622 : 평면부
700 : 인서트 플레이트
800 : 베어링 하우징 810 : 단차홈

Claims (16)

  1. 베이스 플레이트;
    요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베이스 플레이트에 적층되어 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 범프 포일; 및
    상기 범프 포일을 덮도록 적층되며, 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 탑 포일; 을 포함하여 이루어지고,
    상기 범프 포일은,
    반경방향으로 외경쪽에 인접한 외경측 탄성 범프의 높이가 반경방향으로 내경쪽에 인접한 내경측 탄성 범프 및 반경방향으로 중앙부에 위치한 중앙부 탄성 범프의 높이보다 낮게 형성되며,
    상기 외경측 탄성 범프, 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프는 반경방향으로 연속된 하나의 탑 포일에 의해 덮혀있는 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 범프 포일은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  3. 베이스 플레이트;
    요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베이스 플레이트에 적층되어 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 범프 포일;
    상기 범프 포일을 덮도록 적층되며, 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 탑 포일; 및
    상기 범프 포일의 반경방향으로 내경쪽에 인접한 내경측 탄성 범프 및 반경방향으로 중앙부에 위치한 중앙부 탄성 범프가 존재하는 영역에 대응되는 부분에, 상기 베이스 플레이트와 범프 포일 사이에 개재된 인서트 플레이트;
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 인서트 플레이트에 의해, 상기 베이스 플레이트의 상면을 기준으로 하여 반경방향으로 외경쪽에 인접한 외경측 탄성 범프의 높이가 상기 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프의 높이보다 낮게 형성되며,
    상기 외경측 탄성 범프, 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프는 반경방향으로 연속된 하나의 탑 포일에 의해 덮혀있는 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 범프 포일은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  5. 삭제
  6. 베이스 플레이트;
    요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베이스 플레이트에 적층되어 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 범프 포일; 및
    상기 범프 포일을 덮도록 적층되며, 원주방향 일측 단부가 상기 베이스 플레이트에 결합된 탑 포일; 을 포함하여 이루어지고,
    상기 베이스 플레이트는,
    상기 범프 포일의 반경방향으로 외경쪽에 인접한 외경측 탄성 범프에 대응되는 부분에 원주방향을 따라 오목한 단차홈이 형성되며,
    상기 단차홈에 의해, 상기 베이스 플레이트의 상면을 기준으로 하여 상기 외경측 탄성 범프의 높이가 반경방향으로 내경쪽에 인접한 내경측 탄성 범프 및 반경방향으로 중앙부에 위치한 중앙부 탄성 범프의 높이보다 낮게 형성되며,
    상기 외경측 탄성 범프, 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프는 반경방향으로 연속된 하나의 탑 포일에 의해 덮혀있는 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 범프 포일은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 범프 포일은 특정한 반경 상에서 원주방향 타단인 자유단에서부터 일측으로 일부 영역에 해당되는 탄성 범프들은 높이가 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  9. 삭제
  10. 범프 포일이 제1플레이트와 일체로 형성되어 범프 포일이 상기 제1플레이트에 연결되어 있고, 상기 범프 포일에는 요철 형상의 탄성 범프가 형성된 범프 포일 플레이트; 및
    탑 포일이 제2플레이트와 일체로 형성되어 탑 포일이 상기 제2플레이트에 연결되며, 상기 탑 포일이 범프 포일을 덮도록 상기 범프 포일 플레이트에 적층된 탑 포일 플레이트; 를 포함하여 이루어지고,
    상기 범프 포일은,
    반경방향으로 외경쪽에 인접한 외경측 탄성 범프의 높이가 반경방향으로 내경쪽에 인접한 내경측 탄성 범프 및 반경방향으로 중앙부에 위치한 중앙부 탄성 범프의 높이보다 낮게 형성되며,
    상기 외경측 탄성 범프, 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프는 반경방향으로 연속된 하나의 탑 포일에 의해 덮혀있는 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 범프 포일 플레이트의 범프 포일은 복수로 구성되고, 상기 복수의 범프 포일은 각각 원주방향 일단이 상기 제1플레이트에 연결되며, 상기 복수의 범프 포일은 원주방향을 따라 서로 이격되어 배열되며,
    상기 탑 포일 플레이트의 탑 포일은 복수로 구성되고, 상기 복수의 탑 포일은 각각 원주방향 일단이 상기 제2플레이트에 연결되며, 상기 복수의 탑 포일은 원주방향을 따라 서로 이격되어 상기 복수의 범프 포일에 대응되는 위치에 배열된 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 범프 포일은 자유단에서부터 원주방향을 따라 가면서 두께방향으로 양면을 관통하는 슬릿이 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 탑 포일 플레이트가 적층된 범프 포일 플레이트의 반대쪽 면에 적층되며, 상기 범프 포일의 반경방향으로 내경쪽에 인접한 내경측 탄성 범프 및 반경방향으로 중앙부에 위치한 중앙부 탄성 범프가 존재하는 영역에 대응되는 부분에 배치된 인서트 플레이트를 더 포함하고,
    상기 인서트 플레이트에 의해, 상기 제1플레이트의 하면을 기준으로 하여 반경방향으로 외경쪽에 인접한 외경측 탄성 범프의 높이가 상기 내경측 탄성 범프 및 중앙부 탄성 범프의 높이보다 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 탑 포일 플레이트가 적층된 범프 포일 플레이트의 반대쪽 면에 적층된 베어링 하우징을 더 포함하고,
    상기 베어링 하우징은,
    상기 범프 포일의 반경방향으로 외경쪽에 인접한 외경측 탄성 범프에 대응되는 부분에 원주방향을 따라 오목한 단차홈이 형성되며,
    상기 단차홈에 의해, 상기 베어링 하우징의 상면을 기준으로 하여 상기 외경측 탄성 범프의 높이가 반경방향으로 내경쪽에 인접한 내경측 탄성 범프 및 반경방향으로 중앙부에 위치한 중앙부 탄성 범프의 높이보다 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 스러스트 베어링.
  16. 삭제
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