KR102662638B1 - 에어 포일 저널 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시에 따른 에어 포일 저널 베어링은, 회전축이 배치되는 중공을 구비하고 내주면에 축 방향을 따라 길게 연장 형성된 키 홈을 구비하는 베어링 하우징; 상기 중공 내에서 상기 회전축을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부가 반경 방향 외측으로 절곡되어 상기 키 홈에 삽입 배치되는 탑 포일; 및 상기 중공 내에서 상기 탑 포일을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부가 반경 방향 외측으로 절곡되어 상기 키 홈에 삽입 배치되는 범프 포일;을 포함하고, 상기 범프 포일은 길이 방향을 따라 복수의 범프가 배치되되, 제1 높이를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제1 구간과, 제2 높이를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제2 구간으로 구성된다.

Description

에어 포일 저널 베어링{AIR FOIL JOURNAL BEARING}

본 발명은 에어 포일 저널 베어링에 관한 것으로서, 범프 포일은 일단측 구간에서 범프 높이 보다 타단측 구간의 범프 높이를 더 높게 설정함으로써 공기압에 의한 로터 지지력을 높인, 에어 포일 저널 베어링에 관한 것이다.

일반적인 에어 포일 저널 베어링은 베어링 하우징의 중공의 원주내면을 따라 범프 포일이 설치되고, 범프 포일의 내측에 탑 포일이 배치되도록 구성되며, 탑 포일의 내측에 로터(또는 회전축)가 배치되어 탑 포일의 내주면과 로터의 외주면이 이격된 상태로 로터가 회전될 수 있도록 구성된다. 여기에서 범프 포일 및 탑 포일은 원주방향의 단부가 반경방향 외측으로 절곡된 형태의 절곡부가 형성되며 절곡부는 베어링 하우징에 형성된 슬롯에 삽입되도록 결합되어, 범프 포일 및 탑 포일이 원주방향으로 회전되거나 밀려나지 않고 베어링 하우징에 고정되도록 하고 있다.

로터가 정지되어 있을 때에는 로터의 자중에 의해 탑 포일에 로터의 하측이 지지된 형태로 배치되어 있다가, 로터가 회전하면 탑 포일과 로터 사이에 존재하는 공기에 의해 압력이 형성되어 로터가 탑 포일에서 떠있는 상태로 회전한다. 이때, 로터가 회전될 때 형성된 공기의 동압은 로터의 좌측과 우측에서 균일하지 않으며 로터와 탑 포일 간의 간극이 크게 형성된다. 이에 따라 종래에는 로터가 좌우로 이동되는 폭이 커 로터의 회전 정밀도 및 동특성이 저하된다. 또한, 탑 포일과 로터가 이루는 짜내기 각이 작아 로터가 빠른 회전 속도로 회전되어야 로터가 탑 포일에서 부상되므로, 탑 포일과 로터의 마찰이 많아지고 진동이 심한 단점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 탑 포일을, 외측 탑 포일(300a), 외측 탑 포일의 내측에 구비되어 로터와 접촉되는 내측 탑 포일(300b), 외측 탑 포일과 내측 탑 포일 사이에 개재되며 타측 단부가 로터의 하측에 위치하도록 길이가 짧게 형성되는 중간 탑 포일(300c)을 포함하도록 한 구조가 제안되었다. 이러한 구조를 통해 로터와 탑 포일이 이루는 짜내기 각을 크게 함으로써 로터가 낮은 회전속도에서 부상될 수 있어 탑 포일의 마모 및 진동을 줄이는 것이다. 그러나, 이러한 구조에 따르면 탑 포일로서 3장의 포일을 사용해야 하므로, 부품수가 많고 조립이 어렵다는 한계가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은, 포일을 추가하지 않고 기존의 범프 포일을 활용하되 그 형상을 변형함으로써 전술한 문제점을 해결할 수 있는 에어 포일 저널 베어링을 제공할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시에 따른 에어 포일 저널 베어링은, 회전축이 배치되는 중공을 구비하고 내주면에 축 방향을 따라 길게 연장 형성된 키 홈을 구비하는 베어링 하우징; 상기 중공 내에서 상기 회전축을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부가 반경 방향 외측으로 절곡되어 상기 키 홈에 삽입 배치되는 탑 포일; 및 상기 중공 내에서 상기 탑 포일을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부가 반경 방향 외측으로 절곡되어 상기 키 홈에 삽입 배치되는 범프 포일;을 포함하고, 상기 범프 포일은 길이 방향을 따라 복수의 범프가 배치되되, 제1 높이를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제1 구간과, 제2 높이를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제2 구간으로 구성된다.

또한, 상기 제1 구간은 범프 포일의 일단으로부터 미리 설정된 거리에 이르는 구간이고, 상기 제2 구간은 제1 구간으로부터 범프 포일의 타단에 이르는 구간이며, 상기 제2 높이는 상기 제1 높이보다 높을 수 있다.

또한, 상기 범프 포일은 샤프트에 근접 배치된 이너 범프 포일과 상기 중공 내벽에 근접 배치된 아우터 범프 포일이 서로 겹쳐 구성되고, 상기 이너 범프 포일의 높이는 상기 이우터 범프 포일의 높이보다 더 높을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 범프 포일의 길이 방향의 특정 지점 이후부터 범프의 높이를 이전 범프 높이와 다르게 설계하여 로터와 탑 포일이 이루는 짜내기 각을 크게 함으로써, 공기압을 크게 형성, 탑 포일의 마모 및 진동을 줄일 수 있다. 이에 따라 로터(회전체)의 회전 안정성을 높이는 효과를 제공한다.

특히, 부품을 추가하지 않고 단지 범프 포일의 형상 변형을 통해 상술한 효과를 구현 가능한바, 조립 부품 수의 감소로 조립성 향상 및 비용 절감의 이점을 제공한다.

도 1은 종래 기술에 따른 에어 포일 저널 베어링의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링의 단면도를 나타내는 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 범프 포일의 형상을 설명하기 위한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.

"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링의 단면도를 나타내는 개념도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 범프 포일의 형상을 설명하기 위한 개념도이다. 이하에서는 이들 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링에 대하여 설명한다.

본 발명의 에어 포일 저널 베어링은, 회전축이 배치되는 중공을 구비하고 내주면에 축 방향을 따라 길게 연장 형성된 키 홈을 구비하는 베어링 하우징(110)과, 중공 내에서 회전축을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부가 반경 방향 외측으로 절곡되어 키 홈에 삽입 배치되는 탑 포일(120)과, 중공 내에서 탑 포일(120)을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부(131)가 반경 방향 외측으로 절곡되어 키 홈에 삽입 배치되는 범프 포일(130)을 포함한다. 이상의 구성은 앞서 도 1을 참조하여 설명한 종래 기술에 따른 에어 포일 베어링과 그 구조가 동일하므로, 별도의 부가적인 설명은 생략한다.

한편, 본 발명은 범프 포일(130)의 형상이 종래기술에 따른 에어 포일 저널 베어링의 범프 포일(130)과 상이하다. 즉, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 범프 포일(130)은 길이 방향을 따라 복수의 범프가 배치되되, 제1 높이(141)를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제1 구간(A)과, 제2 높이(142)를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제2 구간(B)으로 구성된다. 제1 구간(A)은 범프 포일(130)의 일단으로부터 미리 설정된 거리에 이르는 구간이고, 제2 구간(B)은 제1 구간(A)으로부터 범프 포일(130)의 타단에 이르는 구간이다. 범프 포일(130)의 일단은 전술한 절곡부(131)가 형성되는 단부인바, 제1 구간(A)은 범프 포일(130)이 키 홈에 삽입 고정되는 지점에서 시작하여 길이 방향을 따라 타단으로 이어지되 일단과 타단 중간의 미리 설정된 지점까지의 구간을 지칭한다. 한편, 제2 구간(B)은 제1 구간(A)이 끝나는 지점인 일단과 타단 중간의 미리 설정된 지점에서 시작하여 범프 포일(130)의 타단까지의 구간을 지칭한다. 예컨대, 제1 구간(A)과 제2 구간(B)은 일단과 타단의 길이 방향의 1/2 지점을 기준으로 각각 일단측과 타단측의 구간으로 정의될 수 있다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 제1 구간(A) 내의 복수의 범프의 높이는 제1 높이(141)로 일정하고, 제2 구간(B) 내의 복수의 범프의 높이는 제2 높이(142)로 일정하며, 특히 제2 높이(142)는 제1 높이(141)보다 높은 것을 특징으로 한다. 이러한 형상의 범프 포일(130)은 도 3a와 도 3b에 도시되어 있다.

한편, 이와 같은 형상의 범프 포일(130)을 탑 포일(120)과 함께 중공 내에 배치하면 도 2와 같이 구조화된다. 도 2를 참조하면, 범프 포일(130)은 일단의 절곡부(131)가 키홈에 삽입되어 있고 도면에서 반시계 방향으로 만곡되며, 타단이 자유단이 되어 반대편에서 일단에 근접한 위치에 배치된다. 이때, 제1 구간(A)은 범프 포일(130)이 키 홈에 삽입 고정되는 지점에서 시작하여 길이 방향을 따라 일단과 타단 중간의 미리 설정된 지점까지의 구간이고, 이는 도 2의 (A) 구간에 해당한다. 그리고, 제2 구간(B)은 제1 구간(A)이 끝나는 지점에서 시작하여 범프 포일(130)의 타단까지의 구간이며, 이는 (B)측에 배치 구간에 해당한다. 탑 포일(120)은 범프 포일(130)의 상부, 즉 중공의 반경 방향 내측에 배치되어 범프 포일(130)에 의해 지지된다. 중공의 내주면은 반경이 일정하고, 내주면에 접하는 범프 포일(130)은 그 높이가 (A) 구간과 (B) 구간에서 상이하므로, 범프 포일(130)에 얹혀지는 탑 포일(120)의 내주면으로부터 높이가 (A) 구간과 (B) 구간에서 달라지게 된다. 즉, (A)구간의 범프 포일(130)은 제1 높이(141)이고 (B) 구간의 범프 포일(130)은 제2 높이(142)이며, 제2 높이(142)는 제1 높이(141)보다 높게 형성되므로 범프 포일(130) 상부에 놓이는 탑 포일(120)은 (A) 구간에서는 중공 내주면으로부터 제1 높이(141)만큼 반경 방향 내측으로 일정 거리 이격되어 있고, (A) 구간과 (B) 구간이 연결되는 지점에서는 그 높이가 내주면으로부터 제1 높이(141)에서 제2 높이(142)만큼 높아지는 경사 구간을 형성하며, (B) 구간에서는 탑 포일(120)이 중공 내주면으로부터 제2 높이(142)만큼 반경 방향 내측으로 일정 거리 이격되어 있다. 이러한 구조에 따르면 (A) 구간과 (B) 구간이 만나는 지점에서 탑 포일(120)이 상향 경사를 이루면서 짜내기 각이 크게 형성된다. 이러한 구조에 따르면 (A) 구간과 (B) 구간이 만나는 지점에서 짜내기 각이 크게 형성된다. 이와 같은 경사 구간이 만들어짐에 따라 로터(회전축)가 반시계 방향으로 회전할 때 발생하는 공기압이 더욱 강하게 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 제1 구간(A) 내의 복수의 범프의 높이는 제1 높이(141)로 일정하고, 제2 구간(B) 내의 복수의 범프의 높이는 제2 높이(142)로 일정하며, 특히 제1 높이(141)가 제2 높이(142)보다 높을 수 있다.

구체적으로, 범프 포일(130)과 탑 포일(120)의 절곡부가 키홈에 삽입 고정된 상태에서 범프 포일(130) 탑 포일(120)의 만곡 방향과 동일한 시계 방향으로 만곡되어 있고, 범프 포일(130)의 타단이 자유단이 되어 반대편에서 일단에 근접한 위치에 배치될 수 있다. 한편, 회전축은 반시계 방향으로 회전하도록 구성된다. 이때, (B) 구간에서는 탑 포일(120)이 중공 내주면으로부터 제1 높이(141)만큼 반경 방향 내측으로 일정 거리 이격되어 있고, (B) 구간에서 (A) 구간으로 연결되는 지점에서는 그 높이가 내주면으로부터 제1 높이(141)에서 제2 높이(142)만큼 이격되는 경사 구간을 형성하며, (A) 구간에서는 탑 포일(120)이 중공 내주면으로부터 제2 높이(142)만큼 반경 방향 내측으로 일정 거리 이격되어 있다. 이러한 구조에 따르면 (B) 구간과 (A) 구간이 만나는 지점에서 탑 포일(120)이 하향 경사를 이루면서 짜내기 각이 크게 형성된다. 이에 따라, 로터(회전축)가 반시계 방향으로 회전함에 따라 상술한 경사 구간에서 공기압이 더욱 강하게 만들어질 수 있다.

한편, 범프 포일(130)이 탑 포일(120)의 만곡 방향과 동일한 시계 방향으로 만곡되고, 타단이 자유단이 되어 반대편에서 일단에 근접한 위치에 배치될 수 있다. 이때, (B) 구간에서는 탑 포일(120)이 중공 내주면으로부터 제1 높이(141)만큼 반경 방향 내측으로 일정 거리 이격되어 있고, (B) 구간에서 (A) 구간으로 연결되는 지점에서는 그 높이가 내주면으로부터 제1 높이(141)에서 제2 높이(142)만큼 이격되는 경사 구간을 형성하며, (A) 구간에서는 탑 포일(120)이 중공 내주면으로부터 제2 높이(142)만큼 반경 방향 내측으로 일정 거리 이격되어 있다. 이러한 구조에 따르면 (B) 구간과 (A) 구간이 만나는 지점에서 짜내기 각이 크게 형성된다. 이에 따라, 로터(회전축)가 반시계 방향으로 회전함에 따라 상술한 경사 구간에서 공기압이 더욱 강하게 만들어질 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 범프 포일(130)이 샤프트에 근접 배치된 이너 범프 포일(130)과 중공 내벽에 근접 배치된 아우터 범프 포일(130)이 서로 겹쳐 구성되는 이중 범프 포일(130) 구조를 채용할 수 있다. 이너 범프 포일(130)의 높이는 아우터 범프 포일(130)의 높이보다 더 높은 수 있다.

전술한 실시예에 따르면, 범프 포일(130)의 고정 지점으로부터 미리 설정된 위치까지의 구간에서는 범프의 높이를 일정하게 유지하고, 해당 구간 이후에 범프의 높이를 변경함으로써, 범프의 높이가 변경되는 지점에서 탑 포일(120)의 높이를 변경시킨다. 이에 따라, 탑 포일(120)의 높이가 변경되는 경사 구간이 만들어지고 이 구간에서는 다른 곳에 비하여 짜내기 각이 크게 발생하는 효과(쐐기 효과)가 있다. 로터가 회전하면서 경사 구간을 만날 때, 로터와 탑 포일(120) 사이의 갭 부분에서 공기압이 더 강하게 발생한다. 로터가 회전할 때, 로터와 탑 포일(120)의 사이에 마모가 많이 발생하는 지점, 그리고 로터 회전에 의한 하중이 집중되는 지점이 존재하는데, 이 지점은 공기층의 로터에 대한 지지력이 크게 요구되는 지점이다. 본 발명에서는 이러한 지점에 상술한 경사 구간을 형성함으로써 쐐기 효과를 일으킨다. 이에 따라, 공기압에 의한 로터의 지지력을 높여 로터를 강하게 부상시키게 되고, 결과적으로 탑 포일(120)과 로터의 마찰을 줄이고 로터의 회전 진동을 저감할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 에어 포일 저널 베어링을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

110: 베어링 하우징
120: 탑 포일
130: 범프 포일
141: 제1 높이
142: 제2 높이

Claims (3)

1. 회전축이 배치되는 중공을 구비하고 내주면에 축 방향을 따라 길게 연장 형성된 키 홈을 구비하는 베어링 하우징;
   상기 중공 내에서 상기 회전축을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부가 반경 방향 외측으로 절곡되어 상기 키 홈에 삽입 배치되는 탑 포일; 및
   상기 중공 내에서 상기 탑 포일을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부가 반경 방향 외측으로 절곡되어 상기 키 홈에 삽입 배치되는 범프 포일;
   을 포함하고,
   상기 범프 포일은 길이 방향을 따라 복수의 범프가 배치되되, 제1 높이를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제1 구간과, 제2 높이를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제2 구간으로 구성되며, 상기 제1 구간은 범프 포일의 일단으로부터 미리 설정된 거리에 이르는 구간이고, 상기 제2 구간은 제1 구간으로부터 범프 포일의 타단에 이르는 구간이며,
   상기 범프 포일은 상기 탑 포일과 반대 방향으로 만곡되어 있고, 제1 높이와 제2 높이는 각각 일정하되, 제2 높이가 제1 높이보다 높은 것인,
   에어 포일 저널 베어링.
2. 회전축이 배치되는 중공을 구비하고 내주면에 축 방향을 따라 길게 연장 형성된 키 홈을 구비하는 베어링 하우징;
   상기 중공 내에서 상기 회전축을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부가 반경 방향 외측으로 절곡되어 상기 키 홈에 삽입 배치되는 탑 포일; 및
   상기 중공 내에서 상기 탑 포일을 둘러 감싸도록 배치되고 일단의 절곡부가 반경 방향 외측으로 절곡되어 상기 키 홈에 삽입 배치되는 범프 포일;
   을 포함하고,
   상기 범프 포일은 길이 방향을 따라 복수의 범프가 배치되되, 제1 높이를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제1 구간과, 제2 높이를 갖는 복수의 범프로 이루어진 제2 구간으로 구성되며, 상기 제1 구간은 범프 포일의 일단으로부터 미리 설정된 거리에 이르는 구간이고, 상기 제2 구간은 제1 구간으로부터 범프 포일의 타단에 이르는 구간이며,
   상기 범프 포일은 상기 탑 포일과 같은 방향으로 만곡되어 있고, 제1 높이와 제2 높이는 각각 일정하되, 제1 높이가 제2 높이보다 높은 것인,
   에어 포일 저널 베어링.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 범프 포일은 샤프트에 근접 배치된 이너 범프 포일과 상기 중공 내벽에 근접 배치된 아우터 범프 포일이 서로 겹쳐 구성되고, 상기 이너 범프 포일의 높이는 상기 아우터 범프 포일의 높이보다 더 높은 것인,
   에어 포일 저널 베어링.