KR20080064579A - 에어 포일 베어링 - Google Patents

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    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings

Abstract

본 발명은 베어링의 강성이 증가되고 감쇠 능력이 향상되는 개선된 구조의 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링은 하우징; 상기 하우징의 내측면에 원주 방향으로 배치되는 탑 포일; 및 상기 하우징과 상기 탑 포일 사이에 배열되며, 서로 대응되는 요철 형상으로 결합되며, 탄성력을 갖는 상부 범프 포일 및 하부 범프 포일을 포함한다.
에어 포일 베어링, 범프, 피치

Description

에어 포일 베어링{Air foil bearing}
도 1은 일반적인 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 2의 범프 포일의 구조를 나타내는 전개도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 관한 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3의 에어 포일 베어링의 범프 포일의 구조를 나타내는 전개도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 에어 포일 베어링의 범프 포일의 구조를 나타내는 전개도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 에어 포일 베어링 110: 하우징
120: 탑포일 130: 상부 범프 포일
140: 하부 범프 포일
본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로서, 상세하게는 베어링의 강성이 증가되고 감쇠 능력이 향상되는 개선된 구조의 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
통상적으로 회전체를 축 방향 또는 반경 방향으로 지지하기 위해서 에어 포일 베어링이 적용될 수 있다. 에어 포일 베어링은 기존의 볼 베어링이나 저널 베어링과 같이 유막을 이용하여 축을 지지하는 방식이 아니고, 에어 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 방식이다.
에어 포일 베어링은 특히 고속으로 회전하는 회전체의 축을 지지하는데 효과적이다. 보통 50,000rpm 이상부터 150,000rpm까지의 고속 터보 기기의 베어링으로 사용되며, 기존의 볼 베어링, 유체막 베어링(fluid film bearing)을 대체할 수 있다. 특히 고속으로 회전하기 때문에, 소형, 경량의 터보기기의 베어링으로 사용되며, 산업상으로는 소형 터보기기, 공기 압축기, 가스 압축기, 냉매 압축기, 터보 블로워, 공기 사이클 기계에 적용될 수 있다.
이러한 에어 포일 베어링에서는 회전축의 회전속도가 임계 속도를 통과하는 경우 진동과 충격이 매우 심하게 발생되어 에어 포일 베어링을 손상시킬 수도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 도 1 및 도 2에 나타난 에어 포일 베어링과 같은 구조가 제안되었다. 도 1 및 2를 참조하면, 에어 포일 베어링(1)은, 회전축(미도시)이 회전 가능하도록 내부에 원통형의 회전축 수용부(11)가 형성되는 하우징(10)과 탑 포일(20) 및 범프 포일(30)로 이루어져 있다.
그리고, 상기 하우징(10)의 내부에 형성된 블럭(50)에는 유연성이 있는 탑 포일(20)의 일단부가 고정되는데, 상기 탑 포일(20)이 하우징(10)의 원주방향으로 운동이 가능하게 된다. 상기 탑 포일(20)과 하우징(10)의 내부면 사이에는 물결모양의 범프 포일(30)이 개재되어 상기 탑 포일(20)을 지지하게 된다. 여기서, 상기 범프 포일(30)은 소정의 탄성을 가지는 부재로서, 평행한 배열로 정렬되어 있고, 양단부가 자유롭다.
상술한 구성을 가지는 에어 포일 베어링(1)에 있어서, 상기 하우징(10) 내에 회전축(미도시)이 서서히 회전하게 되면, 회전축과 상기 회전축과 접촉하는 탑 포일(20) 사이로 고압의 공기층이 형성되고, 상기 공기의 압력은 회전축의 회전력으로 인하여 급속하게 상승하게 되어, 반경 방향으로 큰 하중이 가해지게 된다. 이때 상기 하중은 탑 포일(20)이 일차적으로 지지하게 된다.
또한, 반경 방향의 하중이 상기 탑 포일(20)로 가해지면, 상기 탑 포일(20)은 원주방향으로 움직일 수 있고, 범프 포일(30)과 미끄럼 마찰이 발생된다. 상기 발생된 미끄럼 마찰에 의하여 반경 방향으로 가해지는 하중이 댐핑된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 에어 포일 베어링은 다음의 문제점이 있다.
먼저, 범프 포일(30) 상의 범프의 개수는 범프의 강성과 비례하는 동시에 탑 포일(20)과 범프 포일(30) 간의 접촉면의 수를 좌우하므로, 범프의 개수는 베어링의 강성 및 감쇠와 밀접하게 관련된다. 그런데, 상기와 같이 범프 포일(30)이 한 겹으로 구성되는 경우, 범프 포일(30)에 성형 가능한 범프의 개수가 제한될 수밖에 없고, 따라서 베어링의 강성 및 감쇠 역시 제한될 수밖에 없는 문제점이 있다. 더욱이 이는 회전 기기가 고속화 소형화되어가는 현 추세에 비추어 볼 때 더욱 심각한 문제점이 될 수 있다.
다음으로, 만약 인위적으로 범프의 개수를 증가시키기 위하여는 범프의 높이를 줄일 수밖에 없는데, 이 경우 범프의 높이가 낮으면 베어링을 통과하는 냉각 공기의 유량에 제한을 주어 냉각이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 존재한다.
또한, 상기와 같이 범프 포일(30)이 한 겹으로 구성되는 경우, 탑 포일(20)과 범프 포일(30) 간의 접촉면적이 제한됨으로써 지지 하중이 집중될 수 있고, 이 경우 유막의 두께가 골고루 분포되지 않게 되어서 회전축이 특정 두께의 유막 쪽으로 쏠리게 됨으로써, 회전축이 안정적으로 지지되지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 피치가 대폭 감소되고 탑 포일과 범프 포일 간의 접촉 면적이 증가되어, 베어링의 강성이 증가되고 감쇠 능력이 향상되는 에어 포일 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 에어 포일 베어링은 하우징; 상기 하우징의 내측면에 원주 방향으로 배치되는 탑 포일; 및 상기 하우징과 상기 탑 포일 사이에 배열되며, 서로 대응되는 요철 형상으로 결합되며, 탄성력을 갖는 상부 범프 포일 및 하부 범프 포일을 포함한다.
이러한 구성에 의하여 본 발명은 베어링의 강성이 증가되고 감쇠 능력이 향상되는 동시에 범프 포일과 탑 포일의 접촉 면적이 넓어짐으로써 지지하중이 분산되고 균일한 처짐을 유지할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명에 있어서, 상기 상부 범프 포일 및 상기 하부 범프 포일은 각각 돌 출부와 평면부가 반복적으로 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 탑 포일과 상기 상부 범프 포일은 서로 면 접촉될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 관한 에어 포일 베어링은 내부에 회전축 수용부를 갖는 하우징; 상기 하우징의 일 단부에 설치되고, 돌출부와 평면부가 반복되는 형상을 갖는 제1 범프 포일; 상기 제1 범프 포일의 일 단부에 결합되고, 상기 제1 범프 포일의 돌출부 및 평면부와 서로 대응되는 돌출부와 평면부가 반복되는 형상을 갖는 제2 범프 포일; 및 상기 제2 범프 포일의 일 단에 형성되고, 상기 회전축을 지지하는 탑 포일을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 범프 포일의 돌출부는 상기 제1 범프 포일의 평면부와 접하고, 상기 제2 범프 포일의 평면부는 상기 제1 범프 포일의 돌출부와 접하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 범프 포일의 돌출부의 높이와 상기 제1 범프 포일의 돌출부의 높이는 실질적으로 동일하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 범프 포일의 돌출부의 높이와 상기 제1 범프 포일의 돌출부의 높이는 서로 다르도록 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 범프 포일과 상기 제2 범프 포일 중 적어도 하나는 높이가 다른 돌출부들을 포함할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 사상은 이러한 실시예로 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업 자가 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 것으로서 구성요소의 용이 부가, 삭제, 추가 및 변형에 의해서 쉽게 제안할 수 있는 다른 실시예들도 본 발명의 사상에 포함된다고 할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 에어 포일 베어링의 구조를 나타내는 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 에어 포일 베어링의 범프 포일의 구조를 나타내는 전개도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 관한 에어 포일 베어링(100)은 하우징(110), 탑 포일(120), 상부 범프 포일(130) 및 하부 범프 포일(140)을 포함한다.
탑 포일(120)은 하우징(110)의 내측면에 그 일부가 고정되어 원주 방향으로 배치된다. 상부 범프 포일(130) 및 하부 범프 포일(140)은 하우징(110) 및 탑 포일(120)의 사이에 개입되고, 서로 대응되는 형상으로 형성되어 상호 간에 요철 결합 구조를 이룬다.
하우징(110)은 회전축(미도시)이 회전 가능하도록 그 내부에 회전축 수용부(111)가 형성된다. 탑 포일(120)은 하우징(110)의 내측면에 그 일부가 고정되고 원주 방향으로 배치된다. 여기서, 하우징(110) 내에 탑 포일(120)이 고정되는 기구의 하나의 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(110)은 그 내주면 일측에 블럭(150)이 형성되어 있으며, 탑 포일(120)이 블럭(150)에 일 단부가 고정 배치될 수 있다. 이 경우, 탑 포일(120)은, 실질적으로 사각형의 평면인 마찰부 및 마찰부의 일 단부에 형성되며 사각 형상으로 절곡되어 있는 고정부를 구비한다. 그리고, 탑 포일(120)의 전체가 하우징(110)의 원주 방향 또는 길이 방향으로 이동되는 것을 방지하기 위하여, 고정부가 블럭(150)에 고정된다. 그러나, 본 발명은 이에 한 정되는 것은 아니고 하우징(110)에 블럭(150) 대신 슬롯이 형성되고 탑 포일들이 이 슬롯에 고정될 수도 있고 이와 다른 고정 구조를 가질 수도 있다.
탑 포일(120)과 범프 포일(130)(140)은, 서로 미끄럼 접촉하여 마찰되는 지점이 늘어남으로써 댐핑 효과가 증가될 수 있다. 이 경우, 범프 포일(130)(140)은 파동 형상이나 이와 다른 단면을 가질 수 있다. 다시 말하면, 탑 포일(120)과 범프 포일(130)(140)은 회전체로부터 힘이 발생하였을 경우, 지지작용을 하여 상기 발생된 힘을 흡수 및 완충하는 기능을 수행한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 관한 에어 포일 베어링(100)은, 서로 대응되는 형상으로 형성되어 상호 간에 요철 결합 구조를 이루는 상부 범프 포일(130) 및 하부 범프 포일(140)이 결합되어 구성되는 것을 특징으로 한다. 다시 말하면, 종래의 범프 포일은 한 겹으로 구성되었기 때문에 범프 포일에 성형 가능한 범프의 개수가 제한될 수밖에 없고, 따라서 베어링의 강성 및 감쇠 역시 제한될 수밖에 없는 문제점이 존재하였다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 에어 포일 베어링(100)은 범프 포일이 상부 범프 포일(130)과 하부 범프 포일(140)의 두 겹으로 구성되어, 범프의 강성이 증가되고 감쇠 능력이 향상되고 지지 하중이 분산되도록 한다.
위와 같은 에어 포일 베어링(100)은 돌출부(131)(141)와 평면부(132)(142)가 반복되는 상부 범프 포일(130) 및 하부 범프 포일(140)이 결합되어 구성된다. 그리고, 상부 범프 포일(130)과 하부 범프 포일(140)은 상호 간의 요철 구조가 서로 대응되도록 결합된다. 즉, 하부 범프 포일(140)의 돌출부(141) 상단에는 상부 범프 포일(130)의 평면부(132)가 위치하고, 하부 범프 포일(140)의 평면부(142) 상단에는 상부 범프 포일(130)의 돌출부(131)가 위치하도록 형성된다. 위와 같은 두 겹의 범프 포일 구조에 의하여, 본 발명의 에어 포일 베어링(100)의 피치(pitch)는 한 겹의 범프 포일 구조에 비해 절반으로 줄어든다.
일반적으로 피치(pitch)란 나사산의 서로 대응하는 두 점을 축선(軸線)에 평행하게 측정한 거리, 즉 나사의 경우는 이웃하는 나사산의 대응하는 점의 축 방향의 거리를 말한다. 그러나, 베어링의 포일에서 말하는 피치(pitch)란 이와는 다른 의미로 사용된다. 다시 말하면, 베어링의 포일에서의 피치는 단순히 피크(peak)와 피크 사이의 거리가 아니라 지지점과 지지점 사이의 거리를 의미한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 관한 에어 포일 베어링의 범프 포일의 피치는 종래 범프 포일의 피치의 1/2가 된다. 왜냐하면, 본 발명의 범프 포일의 지지점은 하부 범프 포일(140)의 돌출부(141)의 피크점과 상부 범프 포일(130)의 돌출부(131)의 피크점 둘 다 해당되기 때문이다. 다시 말하면, 하부 범프 포일(140)의 돌출부(141)의 피크점은 상부 범프 포일(130)의 평면부(132) 및 이에 접촉되는 탑 포일(120)을 지지하고, 상부 범프 포일(130)의 돌출부(131)의 피크점은 하부 범프 포일(140)의 평면부(142) 및 이에 접촉되는 하우징(110)을 지지하게 된다.
즉, 종래의 범프 포일의 피치는 특정 돌출부의 피크점부터 다음 돌출부의 피크점까지의 거리(도 2의 '2L' 참조)가 되는데 반하여, 본 발명의 범프 포일의 피치는 상부 범프 포일(130)의 돌출부(131)의 피크점부터 하부 범프 포일(140)의 돌출부(141)의 피크점까지의 거리(도 4의 'L' 참조)가 된다.
이러한 범프 포일을 구비함으로써, 범프 포일의 피치가 기존 범프 포일의 피치(pitch)의 절반으로 줄어들기 때문에 범프의 강성 및 베어링 자체의 강성이 증가되고, 베어링의 감쇠 또한 현저하게 증가되는 장점이 있다. 또한, 상부 범프 포일(130)의 평면부(132)와 탑 포일(120)이 면 접촉을 하게 되어 접촉 면적이 넓어짐으로써, 지지하중이 분산되고 따라서 균일한 처짐을 유지할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같이 구성되는 에어 포일 베어링의 동작에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 관한 에어 포일 베어링(100)은 다양한 회전기기(미도시)에 설치될 수 있으나, 고속으로 회전하는 회전기기(미도시)에 이용되는 것이 일반적이다. 따라서, 에어 포일 베어링(100)의 내측에 형성된 공간으로 회전축(미도시)이 삽입되어 회전하게 된다.
회전기기가 작동될 때, 회전축은 에어 포일 베어링(100)에서 회전 운동을 하게 되는데, 에어 포일 베어링(100)은 회전축의 자중을 지지할 뿐만 아니라, 회전축의 회전이 원활하도록 돕는다. 특히, 회전축이 진동 등에 의하여 편심될 경우, 에어 포일 베어링은 회전축의 진동을 흡수하기 위하여, 회전축과 하우징 사이에서 미끄럼 접촉에 의한 마찰을 발생시켜 반경 방향의 하중을 댐핑시키는 기능을 한다.
회전축이 서서히 회전하게 되면, 회전축과 탑 포일(120) 사이에 고압의 공기층이 형성되고, 이러한 공기의 압력에 의해 회전축이 부상(浮上)하게 됨으로써, 회전축이 탑 포일과 일정한 간격을 유지한 상태로 회전 가능하게 된다.
특히, 본 발명에서는 상호 대응되는 형상의 상부 범프 포일(130) 및 하부 범프 포일(140)이 결합되어 두 겹의 범프 포일을 구성함으로써, 피치가 1/2로 줄어들고 탑 포일과 범프 포일 간의 접촉 면적이 증가된다. 또한, 상기와 같이 피치가 감소하고 접촉 면적이 증가함으로써, 베어링의 강성이 증가하고 및 감쇠 능력이 향상되고, 범프가 하중을 지지하는 면이 증가하여 하중이 분산 지지된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 관한 에어 포일 베어링의 범프 포일의 구조를 나타내는 전개도이다.
도 5에 도시된 실시예에 관한 에어 포일 베어링의 범프 포일은 상부 범프 포일(230)에 형성되는 돌출부(231)의 높이와 하부 범프 포일(240)에 형성되는 돌출부(241)의 높이가 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
다시 말하면, 상부 범프 포일(230)에 형성되는 돌출부(231)의 높이가 하부 범프 포일(240)에 형성되는 돌출부(241)의 높이보다 높도록 형성된다. 따라서, 회전축(미도시)의 회전 시 상부 범프 포일(230)의 평면부(232)가 하부 범프 포일(240)의 돌출부(241)에 접촉될 때까지는 범프 포일이 한 겹일 때와 동일하게 상부 범프 포일(230)이 부드럽게 가압된다. 그리고, 상부 범프 포일(230)의 평면부(232)가 하부 범프 포일(240)의 돌출부(241)에 접촉된 이후에는, 범프 포일이 두 겹으로 형성되어 보다 강하게 가압된다. 상기와 같은 구성에 의하여, 베어링의 강성, 감쇠 등의 특성이 제품의 특성에 맞도록 조절될 수 있는 장점이 있다.
한편, 도면에는 상부 범프 포일(230)에 형성되는 돌출부(231)의 높이가 하부 범프 포일(240)에 형성되는 돌출부(241)의 높이보다 높도록 형성되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 도면과는 반대로 상부 범프 포일(230)에 형성되는 돌출부(231)의 높이가 하부 범프 포일(240)에 형성되는 돌출부(241)의 높이보다 낮도록 형성되는 것도 가능하다. 또는, 각각의 돌출부(231)(241)의 높이가 서로 다르도록 형성되어 다양한 강성 및 감쇠를 가지도록 형성될 수도 있다. 이와 같이 상기 상부 및 하부 범프 포일의 높이가 조절가능하도록 제공됨으로써, 베어링에 요구되는 다양한 제품 사양을 만족할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 피치가 대폭 감소하고 탑 포일과 범프 포일 간의 접촉 면적이 증가하여, 베어링의 강성이 증가하고 감쇠 능력이 향상되는 효과를 갖는다.

Claims (8)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 내측면에 원주 방향으로 배치되는 탑 포일; 및
    상기 하우징과 상기 탑 포일 사이에 배열되며, 서로 대응되는 요철 형상으로 결합되며, 탄성력을 갖는 상부 범프 포일 및 하부 범프 포일을 포함하는 에어 포일 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 범프 포일 및 상기 하부 범프 포일은 각각 돌출부와 평면부가 반복적으로 형성되어 있는 에어 포일 베어링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑 포일과 상기 상부 범프 포일은 서로 면 접촉되어 있는 에어 포일 베어링.
  4. 내부에 회전축 수용부를 갖는 하우징;
    상기 하우징의 일 단부에 설치되고, 돌출부와 평면부가 반복되는 형상을 갖는 제1 범프 포일;
    상기 제1 범프 포일의 일 단부에 결합되고, 상기 제1 범프 포일의 돌출부 및 평면부와 서로 대응되는 돌출부와 평면부가 반복되는 형상을 갖는 제2 범프 포일; 및
    상기 제2 범프 포일의 일 단에 형성되고, 상기 회전축을 지지하는 탑 포일을 포함하는 에어 포일 베어링.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 범프 포일의 돌출부는 상기 제1 범프 포일의 평면부와 접하고, 상기 제2 범프 포일의 평면부는 상기 제1 범프 포일의 돌출부와 접하는 에어 포일 베어링.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 범프 포일의 돌출부의 높이와 상기 제1 범프 포일의 돌출부의 높이는 실질적으로 동일한 에어 포일 베어링.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 범프 포일의 돌출부의 높이와 상기 제1 범프 포일의 돌출부의 높이는 서로 다른 에어 포일 베어링.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 범프 포일과 상기 제2 범프 포일 중 적어도 하나는 높이가 다른 돌 출부들을 포함하고 있는 에어 포일 베어링.
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