KR20090060661A - 공기 베어링 - Google Patents

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KR20090060661A
KR20090060661A KR1020070127570A KR20070127570A KR20090060661A KR 20090060661 A KR20090060661 A KR 20090060661A KR 1020070127570 A KR1020070127570 A KR 1020070127570A KR 20070127570 A KR20070127570 A KR 20070127570A KR 20090060661 A KR20090060661 A KR 20090060661A
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bump foil
bearing
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KR1020070127570A
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염병용
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삼성테크윈 주식회사
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Abstract

공기 베어링을 개시한다. 본 발명은 회전체가 회전가능하게 결합된 베이스 플레이트;와, 베이스 플레이트에 일단부가 고정되며, 원주 방향으로 이격되게 배치된 범프 포일;과, 회전체와 범프 포일 사이에 배치되며, 범프 포일과 중첩된 탑 포일;을 포함하되, 범프 포일은 복수의 포일부가 브리지부에 의하여 연결되며, 범프 포일의 내측 길이와, 외측 길이는 서로 다른 각도로 길이를 결정하여 형성된 것으로서, 범프 포일의 내측 길이와 외측 길이를 결정하는 각도를 다르게 하여 형성함에 따라서 범프 포일의 일단부로부터 가장 멀리 떨어진 부분의 내측 영역과 외측 영역의 높이가 균일하게 유지됨에 따라서 내측 영역에서의 베어링의 손상을 방지하게 된다. 이에 따라, 베어링으로서의 역할을 제대로 수행할 수 있다.
공기 베어링, 범프 포일, 탑 포일

Description

공기 베어링{Air foil bearing}
본 발명은 공기 베어링에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명은 범프 포일의 내외측 길이를 결정하는 각도를 달리한 공기 베어링에 관한 것이다.
통상적으로, 에어 포일 베어링(air foil bearing)와 같은 공기 베어링은 고속으로 회전하는 공기의 속도에 의한 압력 상승으로 회전체를 공기중에 리프트시켜서 지지하는 베어링을 말한다.
특히, 에어 포일 베어링은 일반적인 동압 베어링과는 달리 내부로부터 발생된 압력 분포와, 외부 하중 상황에 따라 탑 포일(top foil)과, 범프 포일(bump foil)의 형상이 능동적으로 변화하기 때문에 고속 회전뿐만 아니라, 고하중 조건의 공기 베어링으로서의 사용도 가능하다.
따라서, 보통 50,000 rpm 이상으로부터 150,000 rpm 까지의 고속 터보 머쉰의 베어링으로서 사용되며, 종래의 볼 베어링(ball bearing)과, 유체막 베어링(fluid film bearing)을 대체할 수 있다.
이와 같은 공기 베어링은 고속으로 회전하기 때문에 소형 또는 경량의 터보 머쉰의 베어링으로 사용가능하며, 산업상으로는 공기 압축기, 가스 압축기, 냉매 압축기, 터보 블로워, 에어 싸이클 머쉰과 같은 소형 터보 머쉰내에서 고속으로 회전하는 회전체를 축 방향 또는 반경 방향으로 지지하기 위하여 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 공기 베어링(100)은 베이스 플레이트(101)상에 범프 포일(102)이 설치되고, 상기 범프 포일(102) 상에는 탑 포일(103)이 설치되어 있다.
상기와 같은 구조의 공기 베어링(100)은 회전체(104)가 일방향으로 회전하게 되면, 상기 탑 포일(103)과 회전체(104) 사이의 공간에 고압 가스가 유입되기 시작하고, 상기 회전체(104)는 회전 속도가 정상 속도에 이를 때까지 탑 포일(103)에 접촉하고 있다. 상기 탑 포일(103)과 회전체(104) 사이의 가스 압력이 회전체(104)의 회전으로 인하여 더욱 상승하게 되면, 회전체(104)는 탑 포일(103)로부터 부상하게 된다.
이때, 상기 공기 베어링(100)에는 범프 포일(102)이 설치되어 있으므로, 회전체(104)의 회전시에 범프 포일(102)과 탑 포일(103)의 미끄럼 접촉에 의하여 마찰이 발생하게 되는데, 각각의 탑 포일(103)은 판 스프링으로 된 범프 포일(102)에 의하여 지지가능하도록 구성되어 있다.
상기 범프 포일(102)은 도 2에 도시된 바와 같이 부채꼴 형상의 박판(106) 상에 복수의 포일부(107)가 형성되어 있다. 상기 포일부(107)는 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)을 포함하며, 상기 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n) 사이에는 브리지부(108)가 설치되어서 인접한 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)를 일체로 연결시키고 있다. 상기 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)는 상기 브리지부(108)에 의하여 연결되어서 파상형을 이루고 있다.
한편, 상기 범프 포일(102)은 베이스 플레이트(101)의 회전 중심점에 대하여 내측 길이(L1)이나, 외측 길이(L2)는 다같이 36°의 각도(θ1)로 절단되어 있다.
그런데, 종래의 범프 포일(102)은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
상기 범프 포일(102)은 일단부(109)가 베이스 플레이트(101)에 고정되는데, 상기 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)는 원주 방향에 대하여 수직 방향으로 소정 각도 틀어져 있으며, 인접한 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)는 브리지부(108)에 의하여 평행하게 성형되어 있다. 상기 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)가 소정 각도 틀어지게 성형되는 것은 박판(106)상에 원주 방향에 대하여 수직 방향으로 성형의 어려움이 있기 때문이다.
또한, 상기 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)의 개수를 증가시킬수록 범프 포일(102)의 강성을 증가시킬 수 있음에 따라서 포일부(107)의 개수를 증가시키게 되는데, 상기 포일부(107)의 개수가 증가됨에 따라 범프 포일(102)의 일단부(109)으로부터 멀어질수록 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)의 높이 차이가 나게 된다.
예컨대, 상기 범프 포일(102)의 일단부(109)에 인접한 제 1 포일부(107a)로 부터 제 n-2 포일부(107n-2)까지의 높이는 0.5 밀리미터인데 반하여, 상기 일단부(109)로부터 멀게 배치된 제 n-1 포일부(107n-1)로부터 제 n 포일부(107n)까지의 높이는 0.4 밀리미터로 성형된다. 이러한 높이 차이는 상기 범프 포일(102)의 성형상 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)의 개수가 증가할수록 더욱 많이 나타난다.
이에 따라, 상기 범프 포일(102)의 일단부(109)로부터 가장 멀리 떨어진 부분은 반경 방향으로 내측 영역(A)과 외측 영역(B)간의 높이 차이가 나게 된다. 이것은 제 1 내지 제 n 포일부(107a, ... ,107n)가 원주 방향에 대하여 수직 방향으로 소정 각도 틀어져 있으므로, 일단부(109)로부터 가장 멀리 떨어진 부분에서, 내측 영역(A)의 경우 제 n-2 포일부(107n-2)와, 제 n-3 포일부(107n-3)이 존재하지만, 외측 영역(B)에는 이와 다른 제 n-1 포일부(107n-1)와, 제 n 포일부(107n)가 존재하기 때문이다.
따라서, 상기 범프 포일(102)이 상기 베이스 플레이트(101)상에 설치된 반경 방향으로 내측 영역(A)과 외측 영역(B)의 높이가 서로 달라서 회전시 상기 탑 포일(도 1의 103)과의 접촉이 원활하지 않아서 회전시 파손이 일어나게 되어서 공기 베어링(100)으로서 역할을 제대로 수행하지 못하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 범프 포일의 내측 길이와 외측 길이를 결정하는 각도를 다르게 하여서 내측 영역의 손상을 방지하도록 구조가 개선된 공기 베어링을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 공기 베어링은,
회전체가 회전가능하게 결합된 베이스 플레이트;와,
상기 베이스 플레이트에 일단부가 고정되며, 원주 방향으로 이격되게 배치된 범프 포일;과,
상기 회전체와 범프 포일 사이에 배치되며, 상기 범프 포일과 중첩된 탑 포일;을 포함하되,
상기 범프 포일은 복수의 포일부가 브리지부에 의하여 연결되며,
상기 범프 포일의 내측 길이와, 외측 길이는 서로 다른 각도로 길이를 결정하여 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내측 길이는 회전 중심점으로부터 26.5° 내지 28.5°의 각도로 길이를 결정하고, 상기 외측 길이는 회전 중심점으로부터 35° 내지 37°의 각도로 길이를 결정한 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 범프 포일은 상기 일단부로부터 가장 멀리 떨어진 부분에서 양 끝단을 서로 연결하여 절단한 것을 특징으로 한다.
게다가, 상기 범프 포일의 일단부로부터 가장 멀리 떨어진 부분은 상기 내측 길이와, 외측 길이가 회전 중심점으로부터 동일한 각도로 결정한 길이에서 반경 방향으로 외측 영역으로부터 내측 영역으로 갈수록 면적이 확대되어 절단되어 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 공기 베어링은 범프 포일의 내측 길이와 외측 길이를 결정하는 각도를 다르게 하여 형성함에 따라서 범프 포일의 일단부로부터 가장 멀리 떨어진 부분의 내측 영역과 외측 영역의 높이가 균일하게 유지됨에 따라서 내측 영역에서의 베어링의 손상을 방지하게 된다. 이에 따라, 베어링으로서의 역할을 제대로 수행할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 베어링(300)을 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개 도시한 것이고 도 5는 도 3의 범프 포일(320)을 도시한 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 공기 베어링(300)에는 베이스 플레이트(310)가 마련되어 있다. 상기 베이스 플레이트(310)의 중앙에는 회전공(310)이 형성되어 있으며, 상기 회전공(310)에는 회전체(390)가 삽입되어 있다.
상기 베이스 플레이트(310)에는 원주 방향으로 소정 간격 이격되게 범프 포 일(320)이 설치되어 있다. 상기 범프 포일(320)은 일단부(329)가 상기 베이스 플레이트(310)에 고정되어 있다.
상기 범프 포일(320)의 상부에는 탑 포일(330)이 결합되어 있다. 상기 탑 포일(330)은 상기 베이스 플레이트(310)에 설치된 고정 부재(340)상에 일단부(331)가 용접결합되어 있다. 상기 탑 포일(330)은 상기 범프 포일(320)에 대하여 중첩되어 있다.
이때, 상기 범프 포일(320)은 파상형의 구조로서, 부채꼴형의 박판의 제 1 내지 제 n 포일부로 이루어지며, 본 실시예에서는 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327)을 포함하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327) 사이에는 브리지부(328)가 설치되어서, 인접한 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327)를 일체로 연결시키고 있다. 상기 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327)는 상기 브리지부(328)에 의하여 연결되어서 파상형을 이루고 있다.
상기 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327)는 상기 베이스 플레이트(310)의 원주 방향에 대하여 수직 방향으로 소정 각도 틀어져 있으며, 인접한 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327)는 서로에 대하여 브리지부(328)에 의하여 평행하게 성형되어 있다.
이때, 상기 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327)는 범프 포일(320)의 일단부(329)로부터 멀어질수록 높이 차이가 있다. 즉, 상기 범프 포일(320)의 일단부(329)에 인접한 제 1 포일부(321), 제 2 포일부(322), 제 3 포일부(323), 제 4 포일부(324), 제 5 포일부(325)까지의 높이는 0.5 밀리미터이고, 상기 범프 포일(320)의 일단부로부터 가장 멀리 배치된 제 6 포일부(326)와, 제 7 포일부의 높이는 0.4 밀리미터로 성형된다.
한편, 상기 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327)에는 원주 방향으로 이들을 가로질러 연장된 곡선형의 홈부(350)가 형성되어 있으며, 상기 홈부(350)는 소정 간격 이격되게 복수개 형성되어 있다.
상기 홈부(350)가 형성되는 것은 상기 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327)를 조각으로 절단시켜서 각각의 조각난 제 1 내지 제 7 포일부(321 내지 327)가 제각기 움직이도록 하여서 종래의 범프 포일과 같이 어느 한 부분이 기울어지는 것과 같은 현상이 발생할 경우, 하중이 집중되는 것을 방지하기 위해서이다.
여기서, 상기 범프 포일(320)의 내측 길이(L3)와 외측 길이(L4)는 서로 다른 각도로 길이를 결정하여 형성되어 있다.
즉, 상기 범프 포일(320)은 내측 길이(L3)를 결정하는 제 1 각도(θ2)와, 외측 길이(L4)를 결정하는 제 2 각도(θ3)가 서로 다르다. 베이스 플레이트(310)의 회전 중심점(O)으로부터 상기 내측 길이(L3)를 결정하는 제 1 각도(θ2)는 26.5° 내지 28.5°, 바람직하게는 27.5°를 유지하고 있는 반면에, 회전 중심점(O)으로부터 상기 외측 길이(L4)를 결정하는 제 2 각도(θ3)는 35° 내지 37°, 바람직하게는 36°를 유지하고 있다.
이처럼, 상기 범프 포일(320)은 내측 길이(L3)를 결정하는 제 1 각도(θ2)와, 외측 길이(L4)를 결정하는 제 2 각도(θ3)를 서로 다르게 한 상태에서 상기 범프 포일(320)의 일단부(329)로부터 가장 멀어진 부분의 양 끝단을 서로 연결하는 선을 따라 절단한다.
이에 따라, 상기 범프 포일(30)의 일단부(329)로부터 가장 멀리 떨어진 부분은 종래의 내측 길이와 외측 길이를 동일한 각도로 결정하여 절단할 때에 비하여 반경 방향으로 외측 영역(D)으로부터 내측 영역(C)으로 갈수록 면적이 확대된 영역(E)이 제거되어 있다. 따라서, 상기 범프 포일(320)의 일단부(329)로부터 가장 멀리 떨어진 부분은 내측 영역(C)의 경우 제 3 포일부(323)의 하단부 일부와, 제 4 포일부(324)의 하단부와, 제 5 포일부(325)의 하단부의 영역이 존재하지 않게 된다.
이처럼, 상기 외측 영역(D)으로부터 내측 영역(C)으로 갈수록 면적이 확대된 영역(E)을 제거하게 되면, 외측 영역(D)의 높이에 의하여 구속이 되어서 높이가 결정된다.
이때, 제거되는 영역을 특정 각도로 제어하지 못하면, 외측 영역(D)이 튀어나올 가능성이 있으므로, 상술한 것처럼, 상기 내측 길이(L3)를 결정하는 제 1 각도(θ2)는 26.5° 내지 28.5°로 제거하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 각도(θ2)가 26.5° 이하로 제거하게 되면, 내측 영역(C)의 높이가 그대로 유지되고, 상기 제 1 각도(θ2)가 28.5° 이상으로 제거하게 되면, 내측 영역(C)의 높이가 지나치게 낮아질 가능성이 있다. 따라서, 내측 길이(L3)를 결정하는 제 1 각도(θ2)는 26.5° 내지 28.5°인 것이 최적화된 결과를 얻을 수 있다.
이에 따라, 상기 범프 포일(320)은 일단부(329)로부터 가장 멀리 떨어진 부분이 반경 방향으로 높이를 일정하게 유지할 수가 있다.
상기와 같은 공기 베어링(300)의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
상기 공기 베어링(300)은 고속으로 회전하는 소형 터보 머쉰등과 같은 회전 기기에 설치될 수 있으며, 베이스 플레이트(310)의 중앙에 형성된 회전공(311)을 통하여 회전체(390)가 삽입되어 회전하게 된다.
회전 기기가 작동하게 되면, 회전체(390)는 공기 베어링(300)에서 회전 운동을 하게 된다. 상기 공기 베어링(300)은 회전체(390)의 자중을 지지할 뿐만, 이나라, 회전체(390)의 회전이 용이하도록 안내하게 된다.
특히, 회전체(390)가 진동등에 의하여 편심될 경우, 공기 베어링(300)은 회전체(390)의 진동을 흡수하기 위하여 회전체(390)와 베이스 플레이트(310) 사이에서 미끄럼 접촉에 의한 마찰을 방생시켜 반경 방향의 하중을 댐핑시키는 기능을 한다.
상기 회전체(390)가 서서히 회전하게 되면, 회전체(390)와 탑 포일(330) 사이에 고압의 공기층이 형성되고, 공기의 압력에 의하여 회전체(390)가 부상하게 됨으로써, 회전체(390)가 탑 포일(330)과 일정한 간격을 유지한 상태로 회전가능하게 된다.
이때, 상기 범프 포일(320)은 반경 방향으로 외측 영역(D)으로부터 내측 영역(C)으로 갈수록 면적이 확대된 영역(E)이 제거되어 있으므로, 내측 영역(C) 에서는 범프 포일(320)이 탑 포일(330)과의 접촉이 일어나지 않지만, 가장 인접한 제 2 포일부(322)의 하단부와, 제 3 포일부(323)의 하단부의 일부 영역에서 접촉하게 된다. 이렇게 접촉된 지지된 힘으로 높이를 유지하게 된다.
이처럼, 상기 범프 포일(320)은 일단부(329)로부터 가장 멀리 떨어진 부분에서 반경 방향으로 내측 영역(C)과, 외측 영역(D)의 높이가 일정하게 되어서, 상기 범프 포일(320)에 대한 탑 포일(330)의 미끄럼 접촉이 원활하게 이루어짐에 따라 공기 베어링(300)의 손상을 방지할 수가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 공기 베어링을 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 범프 포일이 배치된 상태를 일부 확대하여 도시한 평면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 베어링을 도시한 평면도,
도 4는 도 3의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개 도시한 단면도,
도 5는 도 3의 범프 포일을 확대하여 도시한 평면도.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>
300...공기 베어링 310...베어스 플레이트
320...범프 포일 321∼327...제 1 내지 제 7 포일부
328...브리지부 329...일단부
330...탑 포일 340...고정 부재
350...홈 390...회전체

Claims (7)

  1. 회전체가 회전가능하게 결합된 베이스 플레이트;와,
    상기 베이스 플레이트에 일단부가 고정되며, 원주 방향으로 이격되게 배치된 범프 포일;과,
    상기 회전체와 범프 포일 사이에 배치되며, 상기 범프 포일과 중첩된 탑 포일;을 포함하되,
    상기 범프 포일은 복수의 포일부가 브리지부에 의하여 연결되며,
    상기 범프 포일의 내측 길이와, 외측 길이는 서로 다른 각도로 길이를 결정하여 형성된 것을 특징으로 하는 공기 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측 길이는 회전 중심점으로부터 26.5° 내지 28.5°의 각도로 길이를 결정하고, 상기 외측 길이는 회전 중심점으로부터 35° 내지 37°의 각도로 길이를 결정한 것을 특징으로 하는 공기 베어링.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 범프 포일은 상기 일단부로부터 가장 멀리 떨어진 부분에서 양 끝단을 서로 연결하여 절단한 것을 특징으로 하는 공기 베어링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 포일부는 상기 범프 포일의 일단부로부터 가장 멀리 떨어진 부분으로 갈수록 높이가 낮은 파상형의 구조인 것을 특징으로 하는 공기 베어링.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 범프 포일의 일단부로부터 가장 멀리 떨어진 부분은 상기 내측 길이와, 외측 길이가 회전 중심점으로부터 동일한 각도로 결정한 길이에서 반경 방향으로 외측 영역으로부터 내측 영역으로 갈수록 면적이 확대되어 절단된 것을 특징으로 하는 공기 베어링.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 범프 포일의 외형은 부채꼴형인 것을 특징으로 하는 공기 베어링.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 범프 포일에는 원주 방향으로 인접한 포일부를 가로질러 연장된 복수의 홈이 이격되게 형성된 것을 특징으로 하는 공기 베어링.
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