KR200384370Y1 - 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링 - Google Patents

Abstract

본 고안은 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링에 관한 것으로, 카본을 고온에서 장시간 소성하여 기공률 10 ∼ 20%의 무수히 많은 미세 기공이 형성된 다공질 카본 그라파이트 소재를 베어링 면으로 이용함으로써 베어링 면의 내구성을 증대시키고, 미세 기공을 급기공으로 이용하여 베어링 면에 균일한 압력을 가하여 베어링의 성능을 향상시킨 특징이 있다.

본 고안은 카본을 공기가 차단된 조건에서 2주 동안 2500 ∼ 3000℃에서 소성 시킨 후 이를 원판의 형태로 제작하여 기공률 10 ∼ 20%, 기공크기 약 0.7㎛의 균일한 미세 기공을 가지는 다공질 카본 그라파이트 소재를 베어링 몸체에 고정시켜 베어링 면으로 사용하는 대략적인 구성을 갖는다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 고안은, 무수히 많은 기공을 가진 다공질 카본 그라파이트를 베어링 면으로 사용하기 때문에 베어링 면에 별도의 급기공을 기계 가공할 필요가 없으며, 베어링의 종류에 따라 다공질 카본 그라파이트 소재를 가공하여 베어링 면에 고정하기만 하면 간단하게 공기베어링을 완성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 작동 유체로 공기를 사용하므로 기름에 의한 오염이 없어 청정이 요구되는 식품기계나 반도체 장비 등에 쉽게 적용할 수 있으며, 베어링 면으로 사용되는 다공질 카본 그라파이트 소재가 내마모성, 내열성, 강도 등 기계적 특성이 뛰어나므로 공기베어링의 수명이 향상되는 또 다른 효과가 있다.

Description

다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링 { Air bearing using a carbon graphite }

본 고안은 공기베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게 설명하면, 카본을 고온에서 장시간 소성하여 기공률 10 ∼ 20%의 무수히 많은 미세 기공이 형성된 다공질 카본 그라파이트 소재를 베어링면으로 이용함으로써 베어링면의 내구성을 증대시키고, 미세 기공을 급기공으로 이용하여 베어링 면에 균일한 압력을 가하여 베어링의 성능을 향상시킨 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링에 관한 것이다.

일반적으로 베어링은 하중을 전달하면서 마찰저항을 줄여주는 역할을 하는 기계요소의 하나로써, 이러한 베어링의 통상적인 구조는 볼이나 롤러와 같은 전동체의 구름운동을 이용하는바, 이는 회전운동 시 전동체의 구름의 영향으로 소음이 크며, 충격에 약하고, 외경이 크며, 회전속도의 한계가 낮은 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 베어링과 축 사이에 얇은 유막을 형성시키고, 이 유막에 압력을 발생시켜 그 압력의 합력으로 하중을 지지하는 미끄럼 베어링을 주로 사용하며, 이러한 미끄럼베어링은 사용하는 유체의 종류에 따라 오일베어링과 공기베어링으로 구분된다.

우선, 오일베어링은 작동 유체로 광유와 같은 기름이나 물을 사용하며 압력이 변해도 체적의 변화가 거의 없으므로 비압축성 유체윤활베어링이라 불린다. 그러나 이러한 오일베어링은 작동 유체로 기름을 주로 사용하기 때문에 청정이 요구되는 식품기계나 반도체 장비 등에는 사용하기 어려운 점이 있었다.

유체베어링의 또 다른 형태인 공기베어링은 작동 유체로 공기, 헬륨, 네온가스를 사용하기 때문에 마찰이 거의 없고, 냉각효과가 있어 고속운동 시 발열이 거의 일어나지 않아 고온과 저온에서 사용이 가능하며, 축과 베어링의 가공 시 어쩔 수 없이 발생하는 진원도 오차를 공기의 압축성으로 축의 회전 오차를 진원도 오차에 비해 1/10 이하로 줄여주는 평균화 효과도 갖게 되어 회전정밀도가 매우 높아지는 효과가 있다. 또한, 시작과 정지 시에도 축과 베어링 사이의 직접적인 금속접촉을 피할 수 있어 진동과 소음이 거의 발생하지 않고, 거의 마모가 일어나지 않아 수명이 거의 영구적이라는 장점이 있으나, 공기의 사용으로 인해 압력의 한계가 있어 하중지지용량은 볼 베어링이나 오일베어링에 비해 조금 떨어지기 때문에 고하중에는 잘 적용하지 않는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 감안하여 최근에는 다공질 세라믹을 이용한 정압공기 베어링이 개발된바, 본 출원인이 선출원하여 등록받은 국내실용신안공보 제0325457호에 개시된 바와 같이 다공질 세라믹을 이용하여 베어링을 제작할 경우에는 내마모성과 내열성 및 강도 등은 뛰어나지만 취성이 강하여 외력에 의해 깨어지거나 터지는 등의 또 다른 문제점을 내포하고 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 공기베어링의 베어링면의 급기공을 기계 가공할 필요가 없으며, 베어링의 종류에 따라 다공질 카본 그라파이트 소재를 가공하여 베어링면에 고정하기만 하면 간단하게 공기베어링을 완성할 수 있도록 함을 목적으로 한다.

또한, 작동 유체로 공기를 사용하므로 기름에 의한 오염이 없어 청정이 요구되는 식품기계나 반도체 장비 등에 쉽게 적용할 수 있으며, 베어링면으로 사용되는 다공질 카본 그라파이트 소재가 내마모성, 내열성, 강도 등 기계적 특성이 뛰어나므로 공기베어링의 수명이 향상됨을 또 다른 목적으로 한다.

본 고안은 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링에 관한 것으로, 카본을 고온에서 장시간 소성하여 기공률 10 ∼ 20%의 무수히 많은 미세 기공이 형성된 다공질 카본 그라파이트 소재를 베어링면으로 이용함으로써 베어링면의 내구성을 증대시키고, 미세 기공을 급기공으로 이용하여 베어링면에 균일한 압력을 가하여 베어링의 성능을 향상시킨 특징이 있다.

본 고안은 카본을 공기가 차단된 조건에서 2주 동안 2500 ∼ 3000℃에서 소성 시킨 후 이를 원판의 형태로 제작하여 기공률 10 ∼ 20%, 기공크기 약 0.7㎛의 균일한 미세 기공(11)을 가지는 다공질 카본 그라파이트 소재(10)를 베어링 몸체(20)에 고정시켜 베어링면으로 사용하는 대략적인 구성을 갖는다.

이하 본 고안의 실시 예를 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

우선 도 1은 본 고안의 전체 사시도를 나타낸 것으로, 미세한 기공(11)이 형성된 다공질 카본 그라파이트 소재(10)를 베어링 몸체(20) 고정시켜 공기베어링(1)을 완성한 것으로, 공기베어링(1)면 대부분에 다공질 카본 그라파이트 소재(10)의 미세한 기공(11)이 분포되도록 한 형태로 구성된다.

상기 다공질 카본 그라파이트 소재(10)의 표면을 전자현미경을 통해 확대촬영한 사진이 도 2에 도시되어 있는바, 어두운 부분으로 보이는 것이 다공질 카본 그라파이트 소재(10)의 표면에 형성된 미세한 기공(11)이며 그 직경은 수 ㎛ ∼ 수십 ㎛ 정도이며, 이 기공을 통하여 공기가 공기베어링(1)의 면으로 주입되는 구성을 갖는다.

이러한 다공질 카본 그라파이트 소재(10)에 형성된 무수히 많은 기공(11)을 통하여 주입되는 공기가 베어링(1) 면의 전반에 걸쳐 균일하게 주입되므로 적은 공기만으로도 종래 베어링에 걸리는 하중을 지지할 수 있도록 구성된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 공기베어링(1)에 사용되는 10 ∼ 20%의 기공률(흡수율)을 가지는 다공질 카본 그라파이트 소재(10)의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.

공기베어링(1)의 베어링면으로 이용될 다공질 카본 그라파이트 소재(10)의 주원료로 사용되는 카본(carbon)은 공업용 카본 원유에서 추출한 석유 코크스petroleum coke), 석탄에서 추출한 피치 코크스(pitch cokes) 등을 주원료로 하고 콜타르(coal tar), 피치(pitch), 페놀계 수지 등을 결합재로 하여 성형한 후, 1000 ∼ 1300℃로 소성하여 제작한다.

그런 다음, 상기 제작된 카본을 다시 공기가 차단된 조건에서 2주 동안 2500 ∼ 3000℃로 소성 시키면 6각의 안정된 조직으로 바뀌면서 베어링 면에 사용되는 카본 그라파이트 소재(10)가 완성되며, 상기 완성된 카본 그라파이트 소재(10)는 사용되는 형태에 따라 가공된 후, 베어링 몸체(20)와 결합되어 공기베어링(1)이 완성된다.

한편, 도 3은 본 고안이 사용 결합되는 일 예를 나타낸 것으로서, 도시한 바와 같이 금속의 재질로 구성된 원판의 형태로 구성되되, 베어링 몸체(20)의 일 측면으로는 휠 형태의 요홈을 형성시킨 다음, 그와 부합되도록 카본 그라파이트 소재(10)의 일 측면 또한 요홈을 형성시키며, 이를 접착 부재를 이용하여 서로 접합함으로써 정압의 공기가 균일하게 기공(11)으로 배출되면서 윤활유의 역할을 할 수 있도록 구성된다.

상술한 본 고안은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기 청구범위에 기재된 본 고안의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 그 변형과 응용이 가능하다 할 것이다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 고안은, 무수히 많은 기공을 가진 다공질 카본 그라파이트를 베어링면으로 사용하기 때문에 베어링면에 별도의 급기공을 기계 가공할 필요가 없으며, 베어링의 종류에 따라 다공질 카본 그라파이트 소재를 가공하여 베어링면에 고정하기만 하면 간단하게 공기베어링을 완성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 작동 유체로 공기를 사용하므로 기름에 의한 오염이 없어 청정이 요구되는 식품기계나 반도체 장비 등에 쉽게 적용할 수 있으며, 베어링면으로 사용되는 다공질 카본 그라파이트 소재가 내마모성, 내열성, 강도 등 기계적 특성이 뛰어나므로 공기베어링의 수명이 향상되는 또 다른 효과가 있다.

도 1은 본 고안의 전체 사시도

도 2는 본 고안 카본 그라파이트 소재의 확대 단면도

도 3은 본 고안의 결합상태도

[ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ]

1 : 공기베어링 10 : 카본 그라파이트 소재

11 : 기공 20 : 베어링 몸체

Claims (2)

1. 공기베어링에 있어서,

   카본을 공기가 차단된 조건에서 2주 동안 2500 내지 3000℃에서 소성 시켜 기공률 10 내지 20%, 기공크기 약 0.7㎛의 균일한 미세 기공(11)을 가지는 다공질 카본 그라파이트 소재(10)를 베어링 몸체(20)에 고정시켜 베어링면으로 사용함을 특징으로 하는 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링.
2. 제 1항에 있어서,

   카본은, 공업용 카본 원유에서 추출한 석유 코크스와, 석탄에서 추출한 피치 코크스를 주원료로 하고, 이에 콜타르, 피치, 페놀계 수지를 결합재로 하여 성형한 후, 1000 내지 1300℃로 소성하여 제작된 것을 사용함을 특징으로 하는 다공질 카본 그라파이트 소재를 이용한 공기베어링.