KR20230060954A - 조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시에 따른 조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체는, 내부의 중공에 회전축을 수용하는 베어링 하우징의 중공 내에서 상기 회전축을 감싸도록 배치되는 탑 포일과, 상기 중공 내에서 상기 탑 포일을 둘러 감싸도록 배치되는 범프 포일을 포함하고, 상기 탑 포일의 양단에는 절곡부가 연장되어 각각 반경 방향 외측으로 절곡되고, 상기 범프 포일의 양단에는 각각 홈부가 형성되며, 상기 탑 포일의 양단의 절곡부는 각각 상기 범프 포일의 양단의 홈부를 통과하여 범프 포일의 표면 외측으로 돌출되고, 상기 탑 포일 양단의 돌출된 절곡부는 각각 키 부재의 저면에 형성된 슬릿에 삽입 고정되고, 상기 키 부재는 상기 베어링 하우징의 내주면에 상기 중공의 축방향을 따라 형성된 키홈에 삽입되도록 구성된다.

Description

조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체{AIR FOIL BEARING ASSEMBLY}

본 발명은 조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체에 관한 것으로서, 탑 포일의 양단의 절곡부를 범프 포일 양단의 홈부에 삽입 체결한 후, 이를 키 부재를 이용하여 고정한, 베어링 하우징에 조립이 용이한 에어 포일 베어링 조립체에 관한 것이다.

에어포일베어링(air foil bearing)은 에어 베어링(air bearing)의 일종으로서, 회전축과 베어링과의 사이에서 압축된 공기의 압력으로 회전축을 뜨게 하여 하중을 지지하는 베어링이다. 회전축과 베어링 사이의 압력 형성을 좀 더 유리하게 하고 고속에서의 동적 안정성을 높이기 위해서 얇은 소재의 포일(foil)을 사용한다.

이러한 에어 포일 베어링은 미리 정한 회전 방향으로 회전하는 회전축의 외주면을 둘러싸는 탑 포일과, 탄성 변형이 가능한 물결 형상 부재로서 탑 포일을 둘러싸도록 배치되는 범프 포일을 구비한다. 탑 포일과 범프 포일은 베어링 하우징의 중공에 배치되고 하우징의 내경에 조립되어 축 회전시 하중을 지지한다.

도 1은 종래기술에 따른 포일 고정 구조를 도시한다. 도 1을 참조하면, 일반적인 에어 포일 베어링은 베어링 하우징(10)의 중공(11)의 원주내면(12)을 따라 범프 포일(20)이 설치되며, 범프 포일(20)의 내측에 탑 포일(30)이 배치되도록 구성되며, 탑 포일(30)의 내측에 로터(40, 또는 회전축)가 배치되어 탑 포일(30)의 내주면과 로터(40)의 외주면이 이격된 상태로 로터가 회전될 수 있도록 구성된다. 여기에서 범프 포일(20) 및 탑 포일(30)은 원주방향의 단부가 반경방향 외측으로 절곡된 형태의 절곡부가 형성되며 절곡부(21,31)는 베어링 하우징(10)에 형성된 슬롯(13)에 삽입되도록 결합되어, 로터의 회전 시 범프 포일(20) 및 탑 포일(30)이 원주방향으로 회전되거나 밀려나지 않고 베어링 하우징(10)에 고정되도록 하고 있다

이러한 구조를 형성하기 위해, 범프 포일과 탑 포일을 각각 원형으로 말고 탑 포일을 범프 포일 안에 배치하여 두 포일을 포갠 후, 이 상태를 유지한 채 포일을 중공의 베어링 하우징에 조립한다. 그런데 현재, 범프 포일 및 탑 포일을 원형의 형태를 유지시키며 베어링 하우징에 조립시키는 방법은 수작업으로 포일들을 하우징 안으로 직접 조립하는 방법 밖에 없다.

그러나, 범프 포일의 끝단은 자유단 상태이고 범프 포일 자체가 탄성을 가지기 때문에, 범프 포일을 원형으로 말아진 상태를 유지하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 숙련된 작업자라고 하더라도 조립 중 포일의 긁힘, 찍힘 등을 피하기 어렵고 이에 따라 조립 품질이 저하되는 문제가 있었다.

조립성과 양산성을 높이기 위해 범프 포일의 단부를 용접로 고정시키는 방식이 고려되었으나 용접이라는 추가 공정이 필요하고 공정시 소음과 진동 문제가 발생하는 문제가 있고, 고정용 클램프로 범프 포일의 자유단 단부를 고정하는 방식도 고려되나 클램프와 같은 추가 부품이 요구되므로 단가가 높아지는 문제가 있었다.

따라서, 포일의 조립을 용이하게 하는 새로운 형태의 포일 조립 구조가 요구된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은, 탑 포일과 범프 포일을 베어링 하우징에 조립을 용이하게 하는 에어 포일 베어링 조립체를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시에 따른 조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체는, 내부의 중공에 회전축을 수용하는 베어링 하우징의 중공 내에서 상기 회전축을 감싸도록 배치되는 탑 포일과, 상기 중공 내에서 상기 탑 포일을 둘러 감싸도록 배치되는 범프 포일을 포함하고, 상기 탑 포일의 양단에는 절곡부가 연장되어 각각 반경 방향 외측으로 절곡되고, 상기 범프 포일의 양단에는 각각 홈부가 형성되며, 상기 탑 포일의 양단의 절곡부는 각각 상기 범프 포일의 양단의 홈부를 통과하여 범프 포일의 표면 외측으로 돌출되고, 상기 탑 포일 양단의 돌출된 절곡부는 각각 키 부재의 저면에 형성된 슬릿에 삽입 고정되고, 상기 키 부재는 상기 베어링 하우징의 내주면에 상기 중공의 축방향을 따라 형성된 키홈에 삽입되도록 구성된다.

또한, 상기 탑 포일의 일단에는 하나의 절곡부가 배치되고 타단에는 2개의 절곡부가 탑 포일의 폭 방향을 따라 나란히 배열되며, 상기 범프 포일의 일단에는 하나의 홈부가 형성되고 타단에는 2개의 홈부가 범프 포일의 폭 방향을 따라 나란히 형성되며, 상기 탑 포일의 일단의 하나의 절곡부는 상기 범프 포일의 일단의 하나의 홈부에 삽입되고, 상기 탑 포일의 타단의 2개의 절곡부는 상기 범프 포일의 타단의 2개의 홈부에 각각 삽입될 수 있다.

또한, 상기 범프 포일은 타단에서 시작하여 일단에 이르기 전까지 폭 방향 중앙을 따라 절개될 수 있다.

또한, 상기 탑 포일의 양단에는 각각 2개의 절곡부가 탑 포일의 폭 방향을 따라 나란히 배열되고, 상기 범프 포일의 양단에는 각각 2개의 홈부가 범프 포일의 폭 방향을 따라 나란히 형성되어 상기 탑 포일의 양단의 2개의 절곡부가 각각 삽입될 수 있다.

또한, 상기 범프 포일은 폭 방향 중앙을 따라 절개되어 분리되어 있고, 홈부가 절곡부에 의해 관통됨에 따라 탑 포일 상에 위치 고정될 수 있다.

또한, 상기 키 부재는 상기 탑 포일 일단의 절곡부가 끼움 고정되는 제1 슬릿과 상기 탑 포일의 타단의 절곡부가 끼움 고정되는 제2 슬릿을 포함하고, 제1 및 제2 슬릿은 키 부재의 길이 방향을 따라 연속적으로 길게 연장 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 절곡부와 홈부의 체결 방식을 적용함으로서 탑 포일과 범프 포일을 상호 위치 고정 가능하며, 이 때 추가의 구조물이 필요하지 않아 경제적인 이점이 있다.

또한, 베어링 하우징 외부에서 탑 포일과 범프 포일을 블록 형태의 키 부재에 먼저 고정시키고, 그 상태로 키 부재를 키홈에 삽입 고정하는 방식을 채용함으로써, 기존에 범프 포일과 탑 포일을 원형으로 포갠 상태를 유지하면서 베어링 하우징에 조립하는 방식과 비교하여 조립의 용이성이 현저하게 향상된 효과가 있다.

또한, 범프 포일과 탑 포일이 고정된 키 부재를 베어링 하우징에 장착시 부품 간의 마찰로 인해 탑 포일의 테프론 코팅층의 손상을 방지할 수 있고, 조립시 긁힘, 찍힘 등의 품질 문제를 예방할 수 있다.

또한, 수작업으로 조립하는 기존 방식이 아닌 자동화 조립이 가능하므로 에어 포일 베어링의 대량 생산에 용이하다.

도 1은 종래기술에 따른 포일 고정 구조를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 포일 베어링 조립체의 개념도이다.
도 3은 탑 포일과 범프 포일이 조립된 상태를 나타내는 개념도이다.
도 4a는 탑 포일의 양 단부에 형성된 절곡부를 도시한 개념도이다.
도 4b는 범프 포일의 양 단부에 형성된 홈부를 도시한 개념도이다.
도 4c는 도 4a의 절곡부가 도 4b의 홈부에 삽입된 상태를 나타내는 개념도이다.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탑 포일과 범프 포일의 조립 상태를 나타내는 개념도이다.
도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탑 포일과 범프 포일의 조립 상태를 나타내는 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 베어링 조립체의 개념도, 도 3은 탑 포일과 범프 포일이 조립된 상태를 나타내는 개념도, 도 4a는 탑 포일의 양 단부에 형성된 절곡부를 도시한 개념도, 도 4b는 범프 포일의 양 단부에 형성된 홈부를 도시한 개념도, 도 4c는 도 4a의 절곡부가 도 4b의 홈부에 삽입된 상태를 나타내는 개념도이다. 한편, 도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탑 포일과 범프 포일의 조립 상태를 나타내는 개념도, 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탑 포일과 범프 포일의 조립 상태를 나타내는 개념도이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체(100)에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예는 조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체(100)로서, 내부의 중공에 회전축을 수용하는 베어링 하우징의 중공 내에서 회전축을 감싸도록 배치되는 탑 포일(110)과, 중공 내에서 탑 포일(110)을 둘러 감싸도록 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 발명의 탑 포일(110)의 양단에는 원주 방향을 따라 절곡부(111)가 더 연장되어 있고, 이 절곡부(111)가 각각 반경 방향 외측으로 절곡되어 있다. 구체적으로 도 4a를 참조하면, 탑 포일(110)의 일단에는 하나의 절곡부(111)가 배치되고 타단에는 2개의 절곡부(111)가 배치되며 타단의 2개의 절곡부(111)는 탑 포일(110)의 폭 방향을 따라 나란히 배열된다.

한편, 범프 포일(130)의 양단에는 각각 홈부(131)가 형성된다. 구체적으로 도 4b를 참조하면, 범프 포일(130)의 일단에는 하나의 홈부(131)가 형성되고 타단에는 2개의 홈부(131)가 범프 포일(130)의 폭 방향을 따라 나란히 형성된다. 또한, 도시된 바와 같이, 범프 포일(130)은 타단에서 시작하여 일단에 이르기 전까지 폭 방향 중앙을 따라 절개된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라 범프 포일(130) 타단은 2개의 자유단을 형성하게 되며 자유단의 단부에 각각 홈부(131)가 형성되는 구조이다.

이와 같은 구조에서, 탑 포일(110)의 양단의 절곡부(111)는 각각 범프 포일(130)의 양단의 홈부(131)를 통과하고, 절곡부(111)는 범프 포일(130)의 표면 외측으로 돌출된다. 구체적으로, 도 4c를 참조하면, 탑 포일(110)의 일단의 하나의 절곡부(111)는 범프 포일(130)의 일단의 하나의 홈부(131)에 삽입되고, 탑 포일(110)의 타단의 2개의 절곡부(111)는 범프 포일(130)의 타단의 2개의 홈부(131)에 각각 삽입된다. 이때, 각각의 홈부(131)는 절곡부(111)의 삽입이 용이하면서 너무 헐겁지 않도록 절곡부(111)의 두께와 실질적으로 동일하거나 그보다 넓게 가공되는 것이 바람직하다. 또한, 홈부(131)의 형상은 절곡부(111)의 형상에 대응하도록 가공되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 조립체는 길게 연장된 블록 형태의 키 부재(140)를 포함한다. 키 부재(140)의 저면에는 적어도 2개의 슬릿이 키 부재(140)의 길이 방향을 따라 연속적으로 길게 연장 형성된다. 즉, 저면에 제1 슬릿(141)과 제2 슬릿(142)이 키 부재(140)의 길이 방향을 따라 연속적으로 길게 연장 형성되어 있다. 그리고, 탑 포일(110) 양단의 돌출된 절곡부(111)는 각각 키 부재(140)의 저면에 형성된 슬릿에 제1 및 제2 슬릿(141, 142)에 삽입되어 끼움 고정된다. 이에 따라 탑 포일(110)의 절곡부(111)를 고정시킴에 따라, 탑 포일(110)의 절곡부(111)에 체결된 범프 포일(130)의 위치도 고정시킨다. 이렇게 포일을 고정시킨 키 부재(140)는 베어링 하우징의 내주면에 중공의 축방향을 따라 형성된 키홈에 삽입된다.

한편, 도 4a에 도시된 바와 같이, 탑 포일(110)의 절곡부(111)에는 양면 중 적어도 일측에 보강부가 더 형성될 수 있다. 보강부는 절곡부(111)와 형상이 대응하며 절곡부(111)의 두께를 더 두껍게 보강함으로써 절곡부(111)가 키 부재(140)의 슬릿에 더욱 견고하게 삽입되어 결속력이 보강되도록 하는 역할을 한다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 5a에 도시된 것처럼, 탑 포일(110)의 일단의 절곡부(111)는 그 사이즈가 탑 포일(110)의 폭의 절반 이하로 소형화될 수 있고, 그에 따라 범프 포일(130)의 홈부(131)의 형태도 대응하는 사이즈로 변형 가능하다.

또한, 도 5b에 도시된 것처럼, 탑 포일(110)의 양단에는 각각 2개의 절곡부(111)가 탑 포일(110)의 폭 방향을 따라 나란히 배열되고, 범프 포일(130)의 양단에도 각각 2개의 홈부(131)가 범프 포일(130)의 폭 방향을 따라 나란히 형성되어 탑 포일(110)의 양단의 2개의 절곡부(111)가 각각 삽입될 수 있다.

또한, 상기 도 5b에 도시된 바와 같이, 범프 포일(130)은 폭 방향 중앙을 따라 완전히 절개되어 분리된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라 범프 포일(130)은 2개의 단위 범프 포일(130)이 폭 방향으로 나란히 배열된 구조가 되며, 양단이 자유단을 형성한다. 양단에 형성된 2개의 홈부(131)가 각각 절곡부(111)에 의해 관통됨에 따라 절개된 범프 포일(130)은 탑 포일(110) 상에 위치 고정 가능하다.

이상에서 설명한 에어 포일 베어링 조립체(100)는 에어 포일을 블록 타입의 키 부재(140)에 결속 및 결합하여 베어링 하우징에 보다 더 용이하게 조립하는 구조로서, 이는 수작업에 의존하는 기존의 조립 방식이 아닌 부품의 로딩과 압입, F/p 설비를 이용한 자동화 공정이 적용이 가능한 구조이다. 또한, 로터 샤프트 조립 및 분해 또는 로터 샤프트의 고속 회전 시 포일의 축 방향으로의 이탈을 방지하여 고속 회전체의 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 포일 조립 시 발생될 수 있는 포일의 위치 이탈 문제를 사전에 예방 할 수 있으므로 조립 품질을 향상할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체를 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.

100: 에어 포일 베어링 조립체 110: 탑 포일
111: 절곡부 130: 범프 포일
131: 홈부 140: 키 부재
141: 제1 슬릿 142: 제2 슬릿

Claims (6)

1. 조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체로서,
   내부의 중공에 회전축을 수용하는 베어링 하우징의 중공 내에서 상기 회전축을 감싸도록 배치되는 탑 포일과, 상기 중공 내에서 상기 탑 포일을 둘러 감싸도록 배치되는 범프 포일을 포함하고,
   상기 탑 포일의 양단에는 절곡부가 연장되어 각각 반경 방향 외측으로 절곡되고, 상기 범프 포일의 양단에는 각각 홈부가 형성되며, 상기 탑 포일의 양단의 절곡부는 각각 상기 범프 포일의 양단의 홈부를 통과하여 범프 포일의 표면 외측으로 돌출되고,
   상기 탑 포일 양단의 돌출된 절곡부는 각각 키 부재의 저면에 형성된 슬릿에 삽입 고정되고, 상기 키 부재는 상기 베어링 하우징의 내주면에 상기 중공의 축방향을 따라 형성된 키홈에 삽입되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 탑 포일의 일단에는 하나의 절곡부가 배치되고 타단에는 2개의 절곡부가 탑 포일의 폭 방향을 따라 나란히 배열되며,
   상기 범프 포일의 일단에는 하나의 홈부가 형성되고 타단에는 2개의 홈부가 범프 포일의 폭 방향을 따라 나란히 형성되며,
   상기 탑 포일의 일단의 하나의 절곡부는 상기 범프 포일의 일단의 하나의 홈부에 삽입되고, 상기 탑 포일의 타단의 2개의 절곡부는 상기 범프 포일의 타단의 2개의 홈부에 각각 삽입되는 것인,
   조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체.
3. 제2항에 있어서,
   상기 범프 포일은 타단에서 시작하여 일단에 이르기 전까지 폭 방향 중앙을 따라 절개된 것인,
   조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체.
4. 제1항에 있어서,
   상기 탑 포일의 양단에는 각각 2개의 절곡부가 탑 포일의 폭 방향을 따라 나란히 배열되고,
   상기 범프 포일의 양단에는 각각 2개의 홈부가 범프 포일의 폭 방향을 따라 나란히 형성되어 상기 탑 포일의 양단의 2개의 절곡부가 각각 삽입되는 것인,
   조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 범프 포일은 폭 방향 중앙을 따라 절개되어 분리되어 있고, 홈부가 절곡부에 의해 관통됨에 따라 탑 포일 상에 위치 고정되는 것인,
   조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체.
6. 제1항에 있어서,
   상기 키 부재는 상기 탑 포일 일단의 절곡부가 끼움 고정되는 제1 슬릿과 상기 탑 포일의 타단의 절곡부가 끼움 고정되는 제2 슬릿을 포함하고, 제1 및 제2 슬릿은 키 부재의 길이 방향을 따라 연속적으로 길게 연장 형성되는 것인,
   조립성이 개선된 에어 포일 베어링 조립체.

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