KR20020076505A - 하이브리드형 공기 베어링을 사용한 로울러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로 지금까지 사용된 볼 베어링이나 로울러 베어링 등의 강철 베어링으로 지지되어 회전하는 무동력 로울러에서 강철 베어링을 사용하지 않고 공기 동압 베어링과 공기 정압 베어링을 이용하여 로울러를 무접촉으로 부상시키는 시스템이다.

공기 정압 베어링을 사용하는 로울러는 압축 공기 압력에 의해 생성된 유막층에 의해 부상된 로울러가 회전하는 방식으로 베어링간의 마찰저항이 '0'이 되어 제품의 수명이 영구적이라는 장점이 있으나 로울러가 회전하기 위해서는 계속적인 압축공기를 제공하여야 하는 단점이 있다.

공기 동압 베어링을 사용하는 로울러는 회전시에는 레이디얼 방향과 트러스트 방향에 미세홈을 가공하여 동압 베어링 효과를 이용한 것으로 회전시에 제공되어야 하는 압축공기를 공급하지 않아도 되는 이점이 있으나 초기 구동과 정지시에 베어링 면의 접촉에 의한 마모현상이 발생하는 단점이 있다.

본 발명은 위의 공기 정압 베어링과 공기 동압 베어링의 장점을 이용한 발명으로 초기 구동시에는 공기 정압 베어링에 의해 로울러를 부상시키고 일정 회전 속도 이상이 되면 압축공기를 차단하여 정압 베어링의 역할을 제거하고 공기 동압 ㅂ[어링의 부상효과로 로울러를 회전시키며 정지시 다시 압축공기를 공급하여 베어링에 의해 로울러가 부상하도록 함으로써 압축 공기 공급에 의한 에너지 손실을 줄이며, 비상시 압축 공기 차단에 의한 베어링의 손실을 줄일수 있다.

회전축의 레이디얼 방향의 내주면이나 고정축의 레이디얼 방향의 외주면에 미세홈을 정밀 가공하여 회전시 공기 동압의 발생이 가능하도록 하거나, 회전축의 트러스트 방향의 외주면이나 고정축의 트러스트 방향의 내주면에 미세홈을 정밀 가공하여 회전시 공기 동압이 발생이 가능하도록 함으로써, 기존의 공기 정압 베어링을 이용하는 공기 부상 로울러 방식에 외부로부터의 공기 공급이 필요치 않고 홈(Groove)의 펌핑 작용에 의해 베어링의 작용을 하는 공기 동압 베어링을 함께 적용한 로울러을 제작하여 공기 공급의 양을 줄이고 과부하나 공기 공급 중단시 로울러의 치명적인 손상을 막으려고 한다.

Description

하이브리드형 공기 베어링을 사용한 로울러 {Hybrid Type Air Bearing Roller}

본 발명은 일반적으로 지금까지 사용된 볼 베어링이나 롤러 베어링 등의 강철 베어링으로 고정되어 회전하는 무동력 로울러에서 일반적인 강철 베어링을 사용하지 않고 공기 동압 베어링과 공기 정압 베어링을 이용하여 로울러를 무접촉으로 부상시키는 방식으로 특히 내면과 외면에 새로운 형태의 홈을 형성하여 공기 동압 베어링의 효과를 배가시키면서 특히 베어링 각 부분의 동압효과를 달리하여 사용용도에 따른 최적의 기능을 발휘할 수 있는 특징을 가지고 회전을 할 수 있도록하는 공기압을 이용한 하이브리드형 공기 베어링을 사용한 로울러에 관한 것이다

종래에 사용되어진 무동력 회전 로울러에 관한 것이다.

종래의 무동력 회전 로울러는 볼 베어링이나 롤러 베어링을 이용하여 로울러의 양측을 지지하고 로울러를 통과하는 물체의 운동에너지나 외부적인 운동에너지에 의하여 회전운동을 하게 된다.

이때 통과하는 물체의 질량, 속도와 로울러의 회전속도의 상관관계는 중요한 성질을 나타나게 되는데 일반 강철 베어링을 사용하는 경우에는 베어링이 볼이나 롤러의 구름접촉에 의한 마찰력을 갖게 되고, 고속 회전시 마찰열에 의한 베어링 윤활유 유막의 파괴에 의한 마찰력이 증대되며 계속적인 사용에 의한 수명 저하로 인해 마찰력 증대현상 등으로 인하여 로울러를 통과하는 물체의 운동속도와 로울러의 회전속도와의 차이가 크게 나타나게 된다.

또한 이러한 일반 강철 베어링은 가공공차가 까다롭게 되며 마찰에 의한 비주기 진동이 발생하는 문제가 있다.

그리고 마찰력 증대현상으로 인한 베어링의 마모로 인하여 소음현상 및 진동현상이일어나게 된다.

특히 자기테이프(Magnectic Tape) 제조라인에서 사용되는 저마찰 고속회전 로울러는 이와같은 마찰특성이 자기테이프의 품질을 좌우하는 중요한 인자가 된다.

자기 테이프의 제조공정중의 일부인 자성물질의 코팅과정에서 자성물질이 코팅된 테이프는 여러개의 로울러를 통과하면서 건조되어지고 다음 공정으로 보내어진다.

이때, 로울러를 통과하는 테이프의 속도와 로울러의 회전속도가 100% 일치되어야만 양질의 자기테이프를 제조할 수 있다.

그러나 일반 강철 베어링 사용 방식은 베어링 보올이나 롤러의 구름접촉과 윤활유의 점성계수에 의하여 마찰력이 존재하기 때문에 테이프 속도와 로울러의 회전속도를 일치시키는 것이 불가능하며 이때 발생하는 속도차에 의하여 자기 테이프의 코팅면이 손상을 입게되고, 결국 자기 테이프의 품질이 저하되며 불량의 원인이 되었다.

또 지금까지 개발되어진 공기 부상 로울러는 성능면에서는 일반 볼이나 롤러베어링보다 탁월하였으나 공기 소비량이 많아 일반 생산 현장에서는 외면 받아 왔다.

본 발명은 이와 같은 종래의 결점을 감안하여 공기정압 베어링의 축과 베어링에 미세홈을 정밀가공하여 공기 정압 베어링과 공기 동압 베어링 효과를 둘 다 갖게 하여 베어링의 성능을 높이기 위한 것이다.

공기 정압 베어링을 사용하는 가이드-로울러는 공기 압축기에서 생성된 압축공기에 의해 생성된 유막층에 의해 무접촉으로 부상된 가이드-로울러가 회전하는 방식으로 회전시 베어링간의 마찰저항이 '0'이 되어 제품의 수명이 영구적이며 적절한 환경이 제공되어지면 수리 및 점검이 필요없는 장점이 있으나 언제나 양질의 압축공기를 제공하여야하는 단점이 있다.

공기 동압 베어링을 사용하는 가이드-로울러는 베어링의 트러스트 방향과 레이디얼 방향에 미세홈을 가공하여 회전시 동압 베어링 효과로 인하여 무접촉으로 회전하는 시스템으로 회전시에 로울러에 압축공기를 공급하지 않아도 되는 이점이 있으나 구동 및 정지시에는 베어링 면의 접촉에 의해 마찰현상이 발생하여 베어링면이 마모가 되는 단점이 있다.

본 발명은 위에 설명된 공기 정압 베어링과 공기 동압 베어링의 장점을 이용한 로울러 시스템으로 공기 정압 베어링으로 로울러를 부상시켜 구동을 하며, 일정한 회전수에 도달 하였을때 압축공기 공급을 차단하고 공기 동압 베어링의 부상효과로 로울러를 회전시키며 정지시 다시 압축공기를 공급하여 공기 정압 베어링에 의해 로울러가 부상하도록 함으로써 마찰현상에 의한 베어링면 마모현상을 최소화하며 비상시 압축공기 차단에 의한 베어링의 손상을 피할 수 있도록 하는 것이다.

공기 동압 베어링은 회전체가 회전함에 따라 미세홈으로 외부공기가 유입되어 고정자와 회전자의 틈새압력이 증가하게 되고, 압력차에 의해 발생한 힘이 회전자를 부상시키게 된다.

또한 공기 동압 베어링은 외부로부터의 압축공기 유입이 필요하지 않기 때문에 공기 소비량을 줄일 수 있고, 공기 정압 베어링과 공기 동압 베어링의 두 가지 효과로 인하여 베어링의 강성을 증대시킬 수 있으며, 외부로부터 압축공기 공급 중단시 공기 동압 베어링 때문에 마찰용접 현상을 피할 수 있으므로 치명적 손상을 막을 수 있는 베어링을 제공한다.

따라서 본 연구에서는 기존의 공기 정압 베어링을 이용하는 공기 부상 로울러 방식에, 외부로부터의 압축공기 공급이 필요치 않고 미세홈(Groove)의 펌핑 작용에 의해 베어링의 작용을 하는 공기 동압 베어링을 함께 적용한 로울러을 제작하여 압축공기 공급의 양을 줄이고 과부하나 공기 공급 중단시 로울러의 치명적인 손상을 막으려고 한다.

따라서 본 발명의 목적은 공기 정압 베어링을 이용하여 로울러를 부상시켜 무접촉으로 회전하게 하며 공기 동압 베어링을 이용하여 로울러를 통과하는 물체의 속도와 부상 로울러의 회전속도를 동일하도록 하여 마찰력이 무한히 작아 마찰계수가 거의 '0'이 되도록 한다.

그리고 동압 베어링을 사용함으로써 초기 구동시와 정지시에만 압축공기를 사용하게되지 때문에 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.

제 1도는 본 발명에 대한 사시도

제 2도는 본 발명에 대한 설치 상태도

제 3도는 본 발명의 공기 부상 로울러의 결합상태 절제 단면도

제 4도는 본 발명중 트러스트 방향의 요부 확대 단면도

제 5도는 본 발명중 트러스트 방향의 일측면 요부 확대도

제 6도는 본 발명의 다른 실시예에 대한 트러스트 방향의 확대 단면도

제 7도는 본 발명의 레이디얼 방향의 요부 확대 단면도

제 8도는 본 발명의 레이디얼 방향의 일측면 요부 확대도

제 9도는 본 발명의 다른 실시예에 대한 레이디얼 방향의 확대 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 공기부상 로울러

4 : 공기저장 탱크축

4a,8a : 구멍

4b,8b : 노즐

11a,11b,11c,11d : 유막층

7,12 : 유막 형성 하우징

13 : 배기홀

19 : 로울러 유막조정 테이퍼

20 : 트러스트 유막조절 스페이서

21 : 레이디얼 베어링 외주면 미세홈

22a,22b : 레이디얼 베어링 내주면 미세홈

23 : 트러스트 베어링 외주면 미세홈

24a,24b : 트러스트 베어링 내주면 미세홈

양측에서 지지대(3)(3a)에 의해 로울러가 지지되며 양단으로 대각선 방향이나 원주 방향에 등간격으로 구멍(4a)과 일측으로 통공(5)이 설치되는 공기저장 탱크축(4)과상기 공기저장 탱크축(4)의 양단에 설치된 구멍(4a)의 유막층(11a),(11b)을 형성하도록 하고 구멍(4a)과 일치하도록 노즐(4b)을 설치한다.

상기 유막층(11a)의 외측에는 압축공기가 통할수 있는 공기홀(7a)을 갖고 압축공기에 의해 부상되는 유막형성 하우징(7)과 상기 유막층(11a)의 외측에는 유막층을 갖도록하며 배기홀(13)을 갖고 압축공기에 의해 부상되고 보올트(15)로 부상 로울러(2)에 고정되는 유막형성 하우징(12)을 설치한다.

상기 유막 형성 하우징(7)의 외측에서 통공(5)과 연결되며 양측에서 유막층(11c),(11d)이 각각 형성되는 트러스트 유막 형성 칼라(8)가 외측에 설치되며 트러스트 유막 형성 칼라(8)와 유막두께의 2배에 해당하는 크기를 갖고 유막층(11c)(11d)이 형성되도록하는 트러스트 유막조절 스페이서(20)를 구성하였다.

상기 트러스트 유막형성 칼라(8)를 공기저장탱크축(4)에 조립한 후 황동납 땜 하여 고정하여 그 외측에 유막층(11c)이 형성되도록 하고 보올트(14)로 트러스트 유막조절 스페이서(20)와 유막형성 하우징(7)을 부상로울러(2)에 고정시키는 트러스트 유막형성 고정판(9)을 구성한다.

상기 트러스트 유막형성층 칼라(8)의 외주면에 트러스트 외주면 미세홈(23)을 정밀가공하여 회전시 트러스트 방향에 공기 동압 베어링을 가질수 있게 한다.

상기 트러스트 유막형성 고정판(9)의 내주면에 트러스트 내주면 미세홈(24a)을 정밀가공하여 회전시 트러스트 방향에 공기 동압 베어링을 가질수 있게 한다.

상기 공기저장 탱크축(4)의 일측에는 에어콤프레샤(16)에서 발생된 압축공기 중의수분을 제거하는 에어드라이어(17)와 상기 에어드라이어(17)에서 수분이 제거된 압축공기를 에어필터(18)에서 불순물을 제거한후 파이프(6)로 연결하여 압축공기를 공급하도록 구성하였다.

이와같은 구성으로 이루워진 본 발명은 물체의 제조과정 중 공기부상 로울러(1) 위를 물체가 통과할 때 에어콤프레샤(16)에서 압축공기를 공급하면 에어드라이어(17)에서 함수율이 높은 압축공기를 드라이 시켜서 에어필터(18)로 보내 필터링한 후 파이프(6)를 통하여 공기저장 탱크축(4)에 공급한다.

공기저장 탱크축(4)에 공급된 압축공기는 구멍(4a)과 통공(5)에서 노즐(4b)을 통하여 공급되어지게 될 때 노즐(4b)을 통하여 공급되는 압축공기에 의해 공기저장 탱크축(4)의 레이디얼 유막형성축과 유막형성 하우징(7)(12) 사이에서 부상하면서 레이디얼 방향의 유막층(11a)(11b)을 형성시키게 된다.

상기 공기저장 탱크축(4)의 외주면에 레이디얼 외주면 미세홈(21)을 정밀가공하여 회전시 공기 동압 베어링을 가질수 있게 한다.

유막형성 하우징(7),(12)의 내주면에 레이디얼 내주면 미세홈(22a),(22b)를 정밀가공하여 회전시 레이디얼 방향에 공기 동압 베어링을 가질수 있게 한다,

또한, 통공(5)을 통하여 트러스트 유막형성 칼라(8)에 공급된 압축공기는 상단에서 노즐(8b)을 통하여 양측으로 공급되면서 트러스트 유막조절 스페이서(20)에 의해 압축공기는 트러스트 방향으로만 이동되면서 트러스트 방향으로 유막층(11c),(11d)이 형성되어진다.

이때, 유막형성 하우징(7)의 공기홀(7a) 하측에서는 유막층(11d)의 트러스트 방향의 유막형성을 위한 공기와 유막층(11a)의 레이디얼 방향의 유막형성을 위한 공기의 접촉으로 인해 트러스트 방향의 유막을 파괴하게 되므로 이러한 현상을 방지하기 위하여 공기홀(7a)을 형성시켜 공기홀(7a)을 통하여 부상 로울러(2)내로 공기의 흐름이 이루어지도록 하였다.

따라서 공기홀(7a)에 의해 레이디얼 방향의 유막층(11a)이 트러스트 방향의 유막층(11c)을 파괴하는 것을 방지하고 공기의 흐름을 원활히 하게된다.

그리고, 공기홀(7a)을 통하여 이동된 공기와 레이디얼 방향에서 이동된 공기는 유막형성 하우징(12)의 배기홀(13)을 통하여 외부로 배출된다.

즉, 유막층(11a)(11b)에 의해 레이디얼 방향으로 부상력이 발생하게 되고, 유막층(11c),(11d)에 의해 트러스트 방향으로 부상력이 발생하게 되므로 부상 로울러(2)는 레이디얼 방향과 트러스트 방향에서 부상력을 갖게 되어 마찰력이 무한이 작아 마찰계수가 거의 '0'에 가깝게 되므로 무접촉 회전되는 공기부상 로울러(1)를 물체의 속도와 회전속도가 일치하게 된다.

또한, 에어콤프레셔(16)에서 발생된 압축공기는 함수율이 많아 드라이어와 필터링과정을 거친다해도 수분을 함유하게 되므로 부품들이 부식의 위험성이 커서 크롬을 도금하거나 스테인리스를 사용하는 등 부식 문제에 대한 대책이 필요하다.

또 정상적인 유막층을 만들기 위해 회전부와 고정부간의 조립 간격을 맞추기 위해 로울러 유막 조정 테이퍼(19)를 가공하여 장치 조립시 및 점검시 보올트(14),(15)의 인장력을 이용하여 유막층 조절을 쉽게 하였다.

이상에서 밝힌바와 같이 본 발명은 노즐에서 압축공기가 공급될 때 유막형성축 외측에서 레이디얼 방향으로 부상하게 되며, 유막형성 칼라의 양측에서 트러스트 방향으로 유막이 형성되며 부상하게 되므로 부상 로울러는 레이디얼 방향과 트러스트 방향에서 부상하여 마찰계수를 '0'에 가깝도록하므로 무접촉 회전을 가능케 하여 로울러를 통과하는 물체와 동일한 회전을 가능케 하는 효과가 제공된다.

또 회전시 레이디얼 방향과 트러스트 방향에서 발생된 유 막형성층에 의해서 레이디얼 방향과 트러스트 방향의 미세홈으로 외부공기가 유입되어 고정자와 회전자의 틈새압력이 증가하게 되고, 압력차에 의해 발생한 힘이 회전자를 부상시키게 된다.

기존의 공기정압 베어링을 이용하는 공기 부상 로울러 방식에, 외부로부터의 공기공급이 필요치 않고 홈(Groove)의 펌핑 작용에 의해 베어링의 작용을 하는 공기동압 베어링을 함께 적용한 로울러을 제작하여 공기공급의 양을 줄이고 과부하나 공기공급 중단시 스핀들의 치명적인 손상을 막으려고 한다.

Claims (5)

1. 외면에 물체가 접촉되어 무동력으로 회전하는 압축공기의 공급으로 부상하는 로울러에 있어서, 회전축의 레이디얼 방향의 내주면에 미세홈을 정밀 가공하여 회전시 동압의 발생이 가능하도록 하는 공기압을 이용한 하이브리드형 부상 무접촉 로울러 시스템
2. 제 1항에 있어서, 고정축의 레이디얼 방향의 외주면에 미세홈을 정밀 가공하여 회전시 동압의 발생이 가능하도록 하는 공기압을 이용한 하이브리드형 부상 무접촉 로울러 시스템
3. 제 1항에 있어서, 회전축의 트러스트 방향의 외주면에 미세홈을 정밀 가공하여 회전시 동압의 발생이 가능하도록 하는 공기압을 이용한 하이브리드형 부상 무접촉 로울러 시스템
4. 제 1항에 있어서, 고정축의 트러스트 방향의 내주면에 미세홈을 정밀 가공하여 회전시 동압의 발생이 가능하도록 하는 공기압을 이용한 하이브리드형 부상 무접촉 로울러 시스템
5. 본 발명에 있어서 고정자와 회전자의 결합부분에 테이퍼를 가공하여 조립 및 점검시 정삭적인 유막층을 형성하기 위하여 유막층을 로울러 양쪽의 보올트로 조절할 수 있는 시스템