KR20230139594A - 탑 포일의 앞전이 처짐 운동 가능한 스러스트 포일 공기 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스러스트 포일 공기 베어링에 관한 것으로서, 정지부와, 상기 정지부에 대하여 중심선을 중심으로 상대 회전하는 회전부를 구비하는 장치에 사용 가능한 스러스트 포일 공기 베어링으로서, 상기 정지부에 상대 이동 불가능하게 결합될 수 있는 하판; 상기 하판의 상면에 배치되며, 탄성 변형이 가능한 범프 포일;을 구비하는 중간판; 상기 중간판의 상면에 배치되어 상기 회전부와 마주할 수 있으며, 상기 범프 포일의 상측에 배치되어 상기 회전부와 접촉 가능한 탑 포일;을 구비하는 상판;을 포함하며, 상기 탑 포일은, 공기의 흐름을 기준으로 상류측에 배치되어 있으며, 상기 회전부의 회전으로 발생하는 공기압에 의하여 상기 하판을 향하여 하방으로 위치 이동될 수 있도록 마련된 앞전을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 회전부가 회전할 때 상기 탑 포일 상면에 발생하는 공기압을 증가시켜 더 큰 하중을 감당할 수 있는 효과가 있다.

Description

탑 포일의 앞전이 처짐 운동 가능한 스러스트 포일 공기 베어링 {Thrust Foil Air Bearing with Downwardly Movable Leading Edge of Top Foil}

본 발명은 스러스트 포일 공기 베어링에 관한 것으로서, 특히 탑 포일 상면에 발생하는 공기압을 증가시켜 더 큰 하중을 감당할 수 있는 스러스트 포일 공기 베어링에 관한 것이다.

공기 베어링(air bearing)은, 회전축과 베어링과의 사이에서 압축된 공기의 압력으로 회전축을 뜨게 하여 하중을 지지하는 베어링이다.

이러한 공기 베어링은, 공기와 같이 점성을 가지는 기체가 움직이는 면과 함께 이동을 하다가 정지되어 있는 면을 만나면서 상기 기체가 압축되면, 움직이는 면과 정지되어 있는 면 사이에 갇힌 공기의 압력이 상승하면서 움직이는 면을 들어올리는 원리를 이용한다.

상기 공기 베어링에는, 회전축의 길이 방향을 따라 가해지는 하중을 지지하기 위한 스러스트 공기 베어링(thrust air bearing)과, 회전축의 반경 방향을 따라 가해지는 하중을 지지하기 위한 저널 공기 베어링(journal air bearing)이 있다.

상기 스러스트 공기 베어링의 일종으로서, 압력 형성을 좀 더 유리하게 하고 고속에서의 동적 안정성을 높이기 위해서 얇은 소재의 포일(foil)을 사용하는 스러스트 포일 공기 베어링(thrust foil air bearing)이 있다.

도 14에는 종래의 스러스트 포일 공기 베어링(1)의 일례가 도시되어 있는데, 상기 스러스트 포일 공기 베어링(1)은, 정지부(S)에 결합되는 판형 부재인 하판(2)과, 상기 하판(2)의 상면에 배치되며 탄성 변형이 가능한 범프 포일(3); 상기 범프 포일(3)의 상측에 배치되어 회전부(R)와 접촉 가능한 탑 포일(4)을 구비한다. 여기서 상기 회전부(R)는 중심선(C)을 중심으로 미리 정한 회전 방향(W)으로 회전하는 회전축(F)에 결합되어 있다.

종래의 스러스트 포일 공기 베어링(1)은, 상기 범프 포일(3)과 탑 포일(4)이 상기 하판(2)의 상면에 용접으로 결합되어 있는데, 용접을 사용하여 상기 범프 포일(3)과 탑 포일(4)을 상기 하판(2)에 결합할 경우에는, 베어링의 전체적인 구조가 간단해지고 초기 제품 개발비 및 금형 제작비를 절감할 수 있는 이점이 일부 있으나, 프레스 가공과 용접 가공 등 여러 번의 제작 공정을 거쳐야 하고, 용접용 지그 제작 및 용접 품질 관리 등의 노력이 필요하기 때문에, 결과적으로 제품 단가 관리 및 품질 관리 측면에서 불리하여 대량생산에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.

상기 용접형 스러스트 포일 공기 베어링(1)의 문제점을 해결하기 위하여, 하판, 중간판, 상판 등 여러 개의 판을 적층한 후, 베어링 외곽 테두리 부근에 슬롯(slot) 또는 홀(hole)을 가공한 후, 핀(pin)을 사용하여 고정하는 스러스트 포일 공기 베어링이 개발되기도 하였다.

그러나 이러한 핀 고정형 스러스트 포일 공기 베어링은, 생산 단가 및 품질 관리 측면에서 유리하다는 장점이 있으나, 비교적 개발비가 많이 소요되는 문제점이 있으며, 금형으로 성형이 된 상기 하판, 중간판, 상판 등이 완전한 평면이 될 수 없기 때문에 그 판들을 겹치면, 그 사이에 틈새가 생기면서 전체적으로 베어링의 두께가 증가하는 문제점이 있다.

그리고 상기 핀 고정형 스러스트 포일 공기 베어링은, 베어링의 외경 테두리 부근에 결합된 몇 개의 핀으로 상기 복수 개의 판들을 고정을 하면, 베어링의 외경 부위는 비교적 견고히 고정이 되어 각 판들이 서로 밀착될 수 있지만, 베어링의 내경 부위는 고정되지 않고 부풀어 올라 있기 때문에, 상기 회전부(R)와 접촉하는 힘이 증가하는 문제점이 생긴다. 이로 인하여 상기 핀 고정형 스러스트 포일 공기 베어링은, 기계의 시동 때에 기동 토크가 증가할 수 있고 베어링의 마모도 심해질 수 있으며, 여러 개의 판을 겹쳐야 하기 때문에 베어링의 관리 및 조립성도 좋지 않다는 문제점도 있다.

위와 같은 문제점들을 극복하기 위하여, 도 15에 도시된 바와 같은 스러스트 포일 공기 베어링(1a)가 고안되었는데, 상기 스러스트 포일 공기 베어링(1a)은, 하판에 돌출된 상태로 마련된 "ㄱ"자 형태의 결합부(12a)가 상기 하판과 중간판 및 상판(30)을 서로 결합시키는 조립식 구조를 가진다.

그러나 상기 종래의 스러스트 포일 공기 베어링(1a)은, 하중을 받았을 때 상기 결합부(12a)가 상기 회전부(R)와 마찰이 발생할 수 있는 가능성이 있고, 서로 인접한 탑 포일(34a)들 사이에 위치하는 상기 결합부(12a)가 탑 포일(34a)들 간의 공기 유동을 방해할 수 있는 문제점이 여전히 남는다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 탑 포일 상면에 발생하는 공기압을 증가시켜 더 큰 하중을 감당할 수 있도록 구조가 개선된 스러스트 포일 공기 베어링을 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스러스트 포일 공기 베어링은, 정지부와, 상기 정지부에 대하여 중심선을 중심으로 상대 회전하는 회전부를 구비하는 장치에 사용 가능한 스러스트 포일 공기 베어링으로서, 상기 정지부에 상대 이동 불가능하게 결합될 수 있는 하판; 상기 하판의 상면에 배치되며, 탄성 변형이 가능한 범프 포일;을 구비하는 중간판; 상기 중간판의 상면에 배치되어 상기 회전부와 마주할 수 있으며, 상기 범프 포일의 상측에 배치되어 상기 회전부와 접촉 가능한 탑 포일;을 구비하는 상판;을 포함하며, 상기 탑 포일은, 공기의 흐름을 기준으로 상류측에 배치되어 있으며, 상기 회전부의 회전으로 발생하는 공기압에 의하여 상기 하판을 향하여 하방으로 위치 이동될 수 있도록 마련된 앞전을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 탑 포일은, 탑 포일 본체; 상기 탑 포일 본체로부터 상류측으로 돌출되도록 형성되어, 상하로 탄성 변형 가능하게 마련된 외팔보 형상의 제1 날개;를 구비하며,상기 앞전은, 상기 제1 날개의 전단부에 마련되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제1 날개는, 상기 중심선의 원주 방향을 따라 연장되어 있으며, 상기 탑 포일의 내측에 형성된 내측 관통공;과 상기 중심선의 원주 방향을 따라 연장되어 있으며, 상기 탑 포일의 외측에 형성된 외측 관통공;과 상기 중심선의 반경 방향을 따라 연장되어 있으며, 상기 내측 관통공과 외측 관통공을 연결시키는 중간 관통공;의 협력에 의하여 형상이 결정되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 앞전은, 미리 정한 제1 곡률로 하방으로 굽어진 형상을 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 하판은, 상기 앞전의 하방 탄성 변형을 미리 정한 크기로 제한할 수 있도록 상기 앞전을 구속하는 스토퍼를 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 스토퍼는, 상기 중간판을 관통한 상태로 상기 앞전의 하방에 배치되어 있으며, 상기 앞전의 하면을 받쳐서 지지할 수 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 스토퍼는, 상기 중심선의 반경 방향으로 연장되어 있으며, "ㄱ" 자 형상으로 절곡된 단면 형상을 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 스토퍼는, 상기 중심선의 반경 방향으로 서로 이격되어 나열된 복수 개의 단위 스토퍼를 구비하는 것일 수도 있다.

여기서, 상기 탑 포일은, 공기의 흐름을 기준으로 하류측에 배치되어 있으며 미리 정한 제2 곡률로 하방으로 굽어진 형상을 가진 뒷전을 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 하판과 중간판 및 상판은, 베어링 장착용 핀이 관통하는 베어링 장착공을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 정지부와, 상기 정지부에 대하여 중심선을 중심으로 상대 회전하는 회전부를 구비하는 장치에 사용 가능한 스러스트 포일 공기 베어링으로서, 상기 정지부에 상대 이동 불가능하게 결합될 수 있는 하판; 상기 하판의 상면에 배치되며, 탄성 변형이 가능한 범프 포일;을 구비하는 중간판; 상기 중간판의 상면에 배치되어 상기 회전부와 마주할 수 있으며, 상기 범프 포일의 상측에 배치되어 상기 회전부와 접촉 가능한 탑 포일;을 구비하는 상판;을 포함하며, 상기 탑 포일은, 공기의 흐름을 기준으로 상류측에 배치되어 있으며, 상기 회전부의 회전으로 발생하는 공기압에 의하여 상기 하판을 향하여 하방으로 위치 이동될 수 있도록 마련된 앞전을 구비하므로, 상기 회전부가 회전할 때 상기 탑 포일 상면에 발생하는 공기압을 증가시켜 더 큰 하중을 감당할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 스러스트 포일 공기 베어링의 결합 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 분리 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 III 부분의 부분 확대도이다.
도 4는 도 3에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 IV 방향에서 바라본 부분 확대도이다.
도 5는 도 2에 도시된 하판의 평면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 중간판의 평면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 저속 구동시 VIII-VIII선 단면도이다.
도 9는 도 7에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 고속 구동시 VIII-VIII선 단면도이다.
도 10은 도 7에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 저속 구동시 X-X선 단면도이다.
도 11은 도 7에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 고속 구동시 X-X선 단면도이다.
도 12는 도 2에 도시된 하판의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 하판을 포함하는 스러스트 포일 공기 베어링의 X-X선 단면도이다.
도 14는 종래의 포일 공기 베어링의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 15는 종래의 포일 공기 베어링의 다른 일례를 나타내는 사시도이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 스러스트 포일 공기 베어링의 결합 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 분리 사시도이다. 도 3은 도 1에 도시된 스러스트 포일 공기 베어링의 III 부분의 부분 확대도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 압축된 공기의 압력으로 하중을 지지하는 공기 베어링(air bearing)으로서, 정지부(S)와 상기 정지부(S)에 대하여 중심선(C)을 중심으로 상대 회전하는 회전부(R)를 구비하는 다양한 장치에 사용 가능한 추력 베어링(thrust bearing)이다. 이 스러스트 포일 공기 베어링(100)은 하판(10)과, 중간판(20)과, 상판(30)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 정지부(S)와 회전부(R)는, 도 14에 도시된 바와 같이 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 원형의 디스크 부재이며, 상기 회전부(R)는 상기 중심선(C)을 중심으로 미리 정한 회전 방향(W)으로 회전하는 회전축(F)에 결합되어 있고, 상기 정지부(S)의 상면에는 상기 중심선(C) 방향으로 돌출된 원형 단면의 막대 부재인 베어링 장착용 핀(미도시)이 복수 개 나열되어 있다.

상기 베어링 장착용 핀(미도시)은, 상기 하판(10)과 중간판(20) 및 상판(30)이 상기 중심선(C)과 교차하는 가상의 평면상에서 상대 회전되지 않도록 결합시키는 기능을 수행한다.

한편, 상기 회전부(R)는 상기 정지부(S)에 대하여 상대 회전한다는 의미에서 결정된 상대적 용어이므로 상기 회전부(R)와 정지부(S)의 용어가 서로 교체 사용되어도 무방하다. 다만 이하에서는 상기 정지부(S)가 절대 좌표에서 정지된 부분이고 상기 회전부(R)가 절대 좌표에서 회전하는 부분으로 전제하고 설명하기로 한다.

상기 하판(10)은, 도 2에 도시된 바와 같이 금속 박판을 프레스 가공하여 제조되는 원형의 디스크 부재로서, 상기 정지부(S)의 상면에 배치되며, 하판 본체(11)와 스토퍼(12)와 베어링 장착공(13)을 구비한다.

상기 하판 본체(11)는, 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 원형의 디스크 부분으로서, 하면이 상기 정지부(S)의 상면에 배치된다.

상기 하판 본체(11)의 중앙에는 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 중공(H)이 형성되어 있다.

상기 스토퍼(12)는, 후술할 앞전(35)의 하방 탄성 변형을 미리 정한 크기로 제한할 수 있도록 상기 앞전(35)을 구속하기 위한 부분으로서, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 "ㄱ" 자 형상으로 절곡된 단면 형상을 가진다.

상기 스토퍼(12)는, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 하판 본체(11)로부터 상기 중간판(20)을 향하여 돌출되어 있다.

상기 스토퍼(12)는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 중간판(20)의 제1 관통공(22)을 관통한 상태로 상기 앞전(35)의 하방에 배치되어 있으며, 본 실시예에서는 상기 앞전(35)의 하면을 받쳐서 지지할 수 있도록 마련되어 있다.

상기 스토퍼(12)는, 복수 개 마련되어, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 미리 정한 간격만큼 이격된 상태로 나열되어 있다.

상기 스토퍼(12)는, 상기 하판 본체(11)의 중공(H) 표면인 내주면과 상기 하판 본체(11)의 외주면 사이에 배치되어 있으며, "ㄱ"자 형상의 단면이 상기 중심선(C)의 반경 방향으로 길게 연장됨으로써 형성된다.

본 실시예에서 상기 스토퍼(12)는, 상기 하판 본체(11)의 내주면과 상기 하판 본체(11)의 외주면 사이의 반경 방향 거리를 대부분 커버할 수 잇는 반경 방향 길이를 가진다.

상기 스토퍼(12)는, 상기 하판 본체(11)의 구멍인 절개부(14)를 채우고 있던 금속 박판이 프레스 가공에 의하여 절개 및 절곡됨으로써 형성된다. 여기서 필요에 따라 상기 스토퍼(12)의 원주 방향 길이를 적절히 절단하여 조절할 수 있다.

본 실시예에서 상기 스토퍼(12)의 원주 방향 길이 또는 전후 방향 길이는, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 앞전(35)의 하면을 받칠 수는 있으나 후술할 뒷전(36)의 하면은 받치지 않을 정도의 길이를 가진다.

본 실시예에서 상기 스토퍼(12)의 상면은, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 하판 본체(11)의 하면과, 상기 중간판(20)의 상면 사이에 위치한다.

상기 베어링 장착공(13)은, 상기 정지부(S)의 베어링 장착용 핀(미도시)이 관통하는 구멍으로서, 상기 하판 본체(11)의 테두리를 따라 원주 방향으로 복수 개 나열되어 있다.

상기 하판 본체(11)의 테두리에는, 베어링 냉각을 위하여 형성된 냉각로(15a)가 원주 방향으로 복수 개 나열되어 있다. 본 실시예에서 상기 냉각로(15a)는 사각형 홈으로 형성되어 있다.

상기 중간판(20)은, 금속 박판을 프레스 가공하여 제조되는 원형의 디스크 부재로서, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 하판(10)의 상면에 배치되며, 중간판 본체(21)와, 제1 관통공(22)과, 베어링 장착공(23)과, 범프 포일(24)을 구비한다.

상기 중간판 본체(21)는, 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 원형의 디스크 부분으로서, 하면이 상기 하판 본체(11)의 상면에 배치된다. 여기서, 상기 중간판 본체(21)는 상기 하판 본체(11)와 동일한 직경을 가지고 있다.

상기 중간판 본체(21)의 중앙에는 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 중공(H)이 형성되어 있다. 여기서 상기 중간판 본체(21)의 중공(H)은 상기 하판 본체(11)의 중공(H)과 동일한 직경을 가지고 있다.

상기 제1 관통공(22)은, 상기 중심선(C)의 반경 방향으로 길게 연장된 슬롯 형상의 구멍으로서, 상기 스토퍼(12)가 관통할 수 있는 길이와 폭을 가지고 있다.

상기 베어링 장착공(23)은, 상기 정지부(S)의 베어링 장착용 핀(미도시)이 관통하는 구멍으로서, 상기 중간판 본체(21)의 테두리를 따라 원주 방향으로 복수 개 나열되어 있다.

상기 중간판(20)의 베어링 장착공(23)은, 상기 하판(10)의 베어링 장착공(13)과 대응되는 위치에 형성되어 있으며 서로 동일한 형상을 가지고 있다.

상기 범프 포일(24)은, 사다리 꼴 형태의 평면 형상을 가지는 부분으로서, 상기 중심선(C)을 따라 상하 방향으로 탄성 변형이 가능하도록, 다수 개의 산과 골이 번갈아가면서 연결된 물결(wave) 형상의 부분이다.

상기 범프 포일(24)은, 상기 스토퍼(12)와 마찬가지로, 상기 중간판 본체(21)의 구멍인 절개부(28)을 채우고 있던 금속 박판이 프레스 가공에 의하여 절개 및 절곡됨으로써 형성된다.

상기 범프 포일(24)은, 복수 개 마련되어 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 미리 정한 간격만큼 이격된 상태로 나열되어 있다.

상기 범프 포일(24)은, 사다리 꼴의 네 변 중 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 서로 이격된 상태로 마주하는 두 변(25, 26) 중 하나(25)만 상기 중간판 본체(21)에 결합되어 있으며, 나머지 세 변은 자유단(free end)으로 형성되어 있다.

본 실시예에서 상기 범프 포일(24)은, 상기 범프 포일(24)에 대한 공기의 흐름을 기준으로, 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 서로 이격된 상태로 마주하는 두 변 중 상류측 변(25)만 상기 중간판 본체(21)에 결합되어 있다. 즉, 상기 범프 포일(24)은 상류측 변(25)만 상기 중간판 본체(21)에 결합되고 하류측 변(26)은 자유 운동 가능한 날개형으로 형성되어 있다.

상기 범프 포일(24)은, 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 하류측으로 길게 형성되어 있다.

본 실시예에서 상기 제1 관통공(22)은 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 서로 이격된 상태로 마주하는 두 변 중 하류측 변(26) 근처에 형성되는데, 상기 범프 포일(24)의 하류측 변(26)과 상기 중간판 본체(21)의 사이의 공간이 상기 제1 관통공(22)으로 기능하게 된다.

본 실시예에서 상기 제1 관통공(22)은, 상기 하판(10)의 절개부(14)와 대응되는 위치 및 형상을 가진다.

본 실시예에서 상기 범프 포일(24)은, 후술할 상기 상판(30)의 제2 날개(343)의 하면에 배치되며, 상기 상판(30)의 제1 날개(342)의 하면에는 배치되지 않는다.

상기 범프 포일(24)의 상류측 변(25)의 중간부에는, 평행사변형 형상의 제2 관통공(27)이 형성되어 있다.

상기 제2 관통공(27)은, 상기 범프 포일(24)의 고정단에 해당하는 상류측 변(25)의 탄성력을 조절하기 위한 용도로 형성된 구멍이다.

예컨대, 상기 제2 관통공(27)의 반경 방향 길이가 길어지면 상기 상류측 변(25)의 탄성력이 작아지고, 상기 제2 관통공(27)의 반경 방향 길이가 짧아지면 상기 상류측 변(25)의 탄성력이 증가한다.

상기 중간판 본체(21)의 테두리에는, 베어링 냉각을 위하여 형성된 냉각로(15b)가 원주 방향으로 복수 개 나열되어 있다. 본 실시예에서 상기 냉각로(15b)는 상기 냉각로(15a)와 동일한 크기 및 위치를 가진다.

상기 상판(30)은, 금속 박판을 프레스 가공하여 제조되는 원형의 디스크 부재로서, 상기 중간판(20)의 상면에 배치되어 상기 회전부(R)와 마주할 수 있으며, 상판 본체(31)와, 베어링 장착공(33)과, 탑 포일(34)과, 앞전(35)과 뒷전(36)을 구비한다.

상기 하판(10)과, 중간판(20)과, 상판(30)은 동일한 재질의 금속 박판으로 제조될 수 있으며, 각각의 두께는 서로 상이할 수도 있다.

상기 상판 본체(31)는, 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 원형의 디스크 부분으로서, 하면이 상기 중간판 본체(21)의 상면에 배치된다. 여기서, 상기 상판 본체(31)는 상기 하판 본체(11)와 동일한 직경을 가지고 있다.

상기 상판 본체(31)의 중앙에는 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 중공(H)이 형성되어 있다. 여기서 상기 상판 본체(31)의 중공(H)은 상기 하판 본체(11)의 중공(H)과 동일한 직경을 가지고 있다.

상기 베어링 장착공(33)은, 상기 정지부(S)의 베어링 장착용 핀(미도시)이 관통하는 구멍으로서, 상기 상판 본체(31)의 테두리를 따라 원주 방향으로 복수 개 나열되어 있다.

상기 상판(30)의 베어링 장착공(33)은, 상기 하판(10)의 베어링 장착공(13)과 상기 중간판(20)의 베어링 장착공(23)에 대응되는 위치에 형성되어 있으며 서로 동일한 형상을 가지고 있다.

본 실시예에서 상기 하판(10)과 중간판(20) 및 상판(30)의 베어링 장착공(13, 23, 33)들은, 상기 중심선(C)을 원의 중심으로 하는 동일한 가상의 원주 상에 배치되어 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 반원형 홈으로 형성되어 있으나, 원형의 구멍으로 형성될 수도 있다.

상기 탑 포일(34)은, 사다리 꼴 형태의 평면 형상을 가지는 부분으로서, 상기 범프 포일(24)의 상측에 배치되어 상기 회전부(R)와 접촉 가능한 부분이다.

상기 탑 포일(34)은, 복수 개 마련되어 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 미리 정한 간격만큼 이격된 상태로 나열되어 있으며, 상기 범프 포일(24)과 각각 대응되는 위치에 배치되어 있다.

상기 탑 포일(34)은, 상기 범프 포일(24)과 마찬가지로, 금속 박판을 프레스 가공에 의하여 절개 및 절곡시킴으로써 형성된다.

본 실시예에서 상기 탑 포일(34)은, 탑 포일 본체(341)와 제1 날개(342)와 제2 날개(343)를 포함한다.

상기 탑 포일 본체(341)는, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 중심선(C)의 반경 방향을 따라 연장된 좁은 띠 영역으로서, 내측 단부와 외측 단부가 상기 상판 본체(31)에 고정되어 있다.

상기 제1 날개(342)는, 상기 탑 포일 본체(341)로부터 상류측인 전방으로 돌출되도록 형성된 부분이다.

상기 제1 날개(342)는, 상기 탑 포일 본체(341)를 고정단으로 하고 그 반대편 끝을 자유단(free end)으로 하는 외팔보 형상을 가진다.

따라서 상기 제1 날개(342)는, 상기 회전부(R)의 회전으로 발생하는 공기압에 의하여 상하 방향으로 탄성 변형 가능하다.

상기 제2 날개(343)는, 상기 탑 포일 본체(341)로부터 하류측인 후방으로 돌출되도록 형성된 부분이다.

상기 제2 날개(343)는, 상기 제1 날개(342)와 마찬가지로, 상기 탑 포일 본체(341)를 고정단으로 하고 그 반대편 끝을 자유단(free end)으로 하는 외팔보 형상을 가진다.

따라서, 상기 제2 날개(343)는, 상기 제1 날개(342)와 마찬가지로 상기 회전부(R)의 회전으로 발생하는 공기압에 의하여 상하 방향으로 탄성 변형 가능한 구조를 가진다.

다만, 본 실시예에서 상기 범프 포일(24)이 상기 제2 날개(343)의 하면에 배치되어 있으므로, 상기 제1 날개(342)와 달리 상기 제2 날개(343)가 하방으로 완전히 자유롭게 탄성 변형될 수는 없다.

본 실시예에서, 상기 제1 날개(342) 및 제2 날개(343)는, 후술할 중간 관통공(32a)과 내측 관통공(32b)과 외측 관통공(32c)의 협력에 의하여 그 평면 형상이 결정되고 있다.

상기 내측 관통공(32b)은, 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 연장된 원호형 구멍으로서, 상기 탑 포일(34)의 내측에 형성되며, 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 복수 개 나열되어 있다.

상기 외측 관통공(32c)은, 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 연장된 원호형 구멍으로서, 상기 탑 포일(34)의 외측에 형성되며, 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 복수 개 나열되어 있다.

상기 중간 관통공(32a)은, 상기 중심선(C)의 반경 방향을 따라 연장되어 있는 슬롯 형상의 직선 구멍으로서, 상기 내측 관통공(32b)과 상기 외측 관통공(32c)을 서로 연결시키는 구멍이다.

상기 중간 관통공(32a)은, 상기 중간판(20)의 제1 관통공(22) 및 상기 하판(10)의 절개부(14)와 대응하는 위치에 형성되어 있다.

즉, 본 실시예에서 상기 내측 관통공(32b)과 외측 관통공(32c) 및 중간 관통공(32a)에 의하여 형성되는 "I"자 관통공이 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 나열됨으로써, 상기 제1 날개(342) 및 제2 날개(343)을 포함하는 탑 포일(34)이 복수 개 형성된다.

상기 앞전(35)은, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1 날개(342)의 전단부에 마련되어 있는 앞전(Leading Edge)로서, 에어포일의 앞전과 유사한 부분이다.

본 실시예에서 상기 앞전(35)은, 도 4에 도시된 바와 같이 미리 정한 제1 곡률(R1)로 하방으로 굽어진 형상을 가진다. 여기서 상기 앞전(35)의 곡률 중심은 상기 상판(30)의 하방에 존재한다.

따라서, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 회전부(R)가 회전 방향(W)을 따라 회전하게 되면, 그 회전에 의하여 상기 탑 포일(34)의 상면에는 공기압(P1)이 발생하게 되고, 그 공기압(P1)에 의하여 상기 제1 날개(342)는 하방으로 탄성 변형하게 되며, 그에 따라 상기 앞전(35)은 상기 하판(10)을 향하여 미리 정한 높이(h1)만큼 아래로 처진다. 이때 상기 스토퍼(12)와 상기 앞전(35)의 하면은 서로 접촉하지 않는다.

또한, 상기 회전부(R)의 회전 속도가 미리 정한 값 이상의 고속이 되면, 상기 탑 포일(34)의 상면에 발생하는 공기압(P2)도 더욱 증가함으로써, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 앞전(35)은 상기 하판(10)을 향하여 더 많은 높이(h2)만큼 아래로 처지게 된다. 이때, 상기 스토퍼(12)가 상기 앞전(35)의 하면을 받쳐서 지지함으로써 상기 앞전(35)이 미리 정한 높이을 초과하여 아래로 이동하는 것을 제한하게 된다.

상기 뒷전(36)은, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제2 날개(343)의 후단부에 마련되어 있는 뒷전(Trailing Edge)로서, 에어포일의 뒷전과 유사한 부분이다.

본 실시예에서 상기 뒷전(36)은, 도 4에 도시된 바와 같이 미리 정한 제2 곡률(R2)로 하방으로 굽어진 형상을 가진다. 여기서 상기 뒷전(36)의 곡률 중심은 상기 상판(30)의 하방에 존재한다.

다만, 본 실시예에서는, 상기 범프 포일(24)이 상기 제2 날개(343)의 하면을 받쳐서 구속하고 있으므로, 상기 회전부(R)의 회전 속도가 비교적 고속이 되더라도, 상기 뒷전(36)이 아래로 이동하는 이동량은 거의 없다.

상기 상판 본체(31)의 테두리에는, 베어링 냉각을 위하여 형성된 냉각로(15c)가 원주 방향으로 복수 개 나열되어 있다. 본 실시예에서 상기 냉각로(15c)는 상기 냉각로(15a) 및 냉각로(15b)와 동일한 크기 및 위치를 가진다.

본 실시예에서 상기 하판(10)과 중간판(20) 및 상판(30)의 냉각로(15a, 15b, 15c)가 협력하여, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 스러스트 포일 공기 베어링(100)의 냉각로(15)를 형성한다.

이하에서는, 상술한 구성의 스러스트 포일 공기 베어링(100)이 작동하는 원리의 일례를 설명하기로 한다.

도 8에 도시된 바와 같이 상기 회전부(R)가 비교적 저속으로 구동하는 경우에는, 상기 회전부(R)의 회전에 의하여 상기 탑 포일(34)의 상면에는 비교적 작은 크기의 공기압(P1)이 발생하게 되고, 그 공기압(P1)에 의하여 상기 제1 날개(342)는 하방으로 비교적 작은 크기로 탄성 변형하게 되며, 그에 따라 상기 앞전(35)은 미리 정한 높이(h1)만큼 아래로 조금 처진다. 이때 상기 스토퍼(12)와 상기 앞전(35)의 하면은 서로 접촉하지 않으며, 상기 제1 날개(342)의 탄성력과 상기 공기압(P1)이 균형을 이루게 된다.

그리고, 상기 회전부(R)가 비교적 저속으로 구동하는 경우, 상기 탑 포일(34)의 상면에는 비교적 작은 크기의 공기압(P1)이 발생하고, 상기 앞전(35)의 상면에 발생하는 공기압(P3)은 도 10에 도시된 바와 같이 비교적 균일하고 작은 값을 가지게 된다.

그러나 도 9에 도시된 바와 같이 상기 회전부(R)가 비교적 고속으로 구동하는 경우에는, 상기 회전부(R)의 회전에 의하여 상기 탑 포일(34)의 상면에는 비교적 큰 값의 공기압(P2)이 발생하게 되고, 그 공기압(P2)에 의하여 상기 제1 날개(342)는 하방으로 비교적 큰 크기로 탄성 변형하게 되며, 그에 따라 상기 앞전(35)은 비교적 큰 높이(h2)만큼 아래로 처지게 된다. 이때, 상기 스토퍼(12)가 상기 앞전(35)의 하면을 받쳐서 지지함으로써 상기 앞전(35)이 더 이상 아래로 이동하는 것을 제한하게 된다.

그리고, 상기 회전부(R)가 비교적 고속으로 구동하는 경우, 상기 탑 포일(34)의 상면에는 비교적 큰 값의 공기압(P2)이 발생하고, 상기 앞전(35)의 상면에 발생하는 공기압(P4)은 도 11에 도시된 바와 같이 비교적 균일하고 큰 값을 가지게 된다.

한편, 상기 범프 포일(24)이 상기 제2 날개(343)의 하면을 전체적으로 견고하게 받쳐서 구속하고 있으므로, 상기 회전부(R)의 회전 속도와 무관하게 상기 뒷전(36)은 아래로 거의 처지지 않는다.

상술한 구성의 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 정지부(S)와, 상기 정지부(S)에 대하여 중심선(C)을 중심으로 상대 회전하는 회전부(R)를 구비하는 장치에 사용 가능한 스러스트 포일 공기 베어링으로서, 상기 정지부(S)에 상대 이동 불가능하게 결합될 수 있는 하판(10); 상기 하판(10)의 상면에 배치되며, 탄성 변형이 가능한 범프 포일(24);을 구비하는 중간판(20); 상기 중간판(20)의 상면에 배치되어 상기 회전부(R)와 마주할 수 있으며, 상기 범프 포일(24)의 상측에 배치되어 상기 회전부(R)와 접촉 가능한 탑 포일(34);을 구비하는 상판(30); 상기 탑 포일(34)은, 공기의 흐름을 기준으로 상류측에 배치되어 있으며, 상기 회전부(R)의 회전으로 발생하는 공기압에 의하여 상기 하판(10)을 향하여 하방으로 위치 이동될 수 있도록 마련된 앞전(35)을 구비하므로, 상기 회전부(R)가 회전할 때 상기 탑 포일(34) 상면에 발생하는 공기압(P1, P2)을 증가시켜, 더 큰 하중을 감당할 수 있는 장점이 있다.

그리고 상기 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 상기 탑 포일(34)이, 탑 포일 본체(341); 상기 탑 포일 본체(341)로부터 상류측으로 돌출되도록 형성되어, 상하로 탄성 변형 가능하게 마련된 외팔보 형상의 제1 날개(342);를 구비하며, 상기 앞전(35)은, 상기 제1 날개(342)의 전단부에 마련되어 있으므로, 상기 앞전(35)의 탄성적인 처짐을 간단하게 구현할 수 있고, 상기 회전부(R)의 회전 속도를 고려하여 상기 제1 날개(342)의 탄성 계수를 조절하기 용이하다는 장점이 있다.

또한 상기 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 상기 제1 날개(342)가, 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 연장되어 있으며, 상기 탑 포일(34)의 내측에 형성된 내측 관통공(32b);과 상기 중심선(C)의 원주 방향을 따라 연장되어 있으며, 상기 탑 포일(34)의 외측에 형성된 외측 관통공(32c);과 상기 중심선(C)의 반경 방향을 따라 연장되어 있으며, 상기 내측 관통공(32b)과 외측 관통공(32c)을 연결시키는 중간 관통공(32a);의 협력에 의하여 형상이 결정되므로, 프레스 가공을 이용하여 간단하게 상기 제1 날개(342)를 형성할 수 있는 장점이 있다.

그리고 상기 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 상기 앞전(35)이, 미리 정한 제1 곡률(R1)로 하방으로 굽어진 형상을 구비하므로, 상기 앞전(35)이 곡률을 가지지 않는 경우에 비하여 상기 탑 포일(34) 상면에 발생하는 공기압(P1, P2)의 형성을 더욱 가속시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 상기 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 상기 하판(10)이, 상기 앞전(35)의 하방 탄성 변형을 미리 정한 크기로 제한할 수 있도록 상기 앞전(35)을 구속하는 스토퍼(12)를 구비하므로, 상기 앞전(35)의 과도한 처짐을 방지함으로써 효율적인 공기압(P1, P2)의 형성이 가능하고, 상기 앞전(35)이 다른 구성과 충돌하여 소음 및 마모가 발생하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

그리고 상기 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 상기 스토퍼(12)가, 상기 중간판(20)을 관통한 상태로 상기 앞전(35)의 하방에 배치되어 있으며, 상기 앞전(35)의 하면을 받쳐서 지지할 수 있으므로, 프레스 가공을 이용하여 간단하게 상기 스토퍼(12)를 형성할 수 있는 장점이 있다.

또한 상기 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 상기 스토퍼(12)가, 상기 중심선(C)의 반경 방향으로 연장되어 있으며, "ㄱ" 자 형상으로 절곡된 단면 형상을 구비하므로, 상기 앞전(35)의 하면과 상기 스토퍼(12)가 접촉하는 면적을 증가시켜, 상기 앞전(35)의 하면이 손상되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

그리고 상기 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 상기 탑 포일(34)이, 공기의 흐름을 기준으로 하류측에 배치되어 있으며 미리 정한 제2 곡률(R2)로 하방으로 굽어진 형상을 가진 뒷전(36)을 구비하므로, 상기 탑 포일(34)의 상면을 유동하는 공기가 상기 탑 포일(34)의 뒷전(36)으로부터 부드럽게 분리됨으로써, 공기의 흐름에 와류(Vortex)가 발생하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다. 이러한 와류(Vortex)는 후행하는 탑 포일(34)과의 관계에서 공기역학적인 악영향을 끼칠 수 있다.

또한 상기 스러스트 포일 공기 베어링(100)은, 상기 하판(10)과 중간판(20) 및 상판(30)이, 베어링 장착용 핀(미도시)이 관통하는 베어링 장착공(13, 23, 33)을 구비하고 있으므로, 비교적 조달이 용이하고 구조적 강도가 큰 상기 베어링 장착용 핀(미도시)을 사용하여, 상기 하판(10)과 중간판(20) 및 상판(30)을 차례로 적층하기만 하면 간편하게 상기 정지부(S)에 장착할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 12에는 상기 하판(10)의 다른 실시예인 하판(10a)이 도시되어 있다. 상기 하판(10a)은 1개의 기다란 스토퍼(12)를 가지는 대신에 상기 중심선(C)의 반경 방향으로 서로 이격되어 나열된 복수 개의 단위 스토퍼(121)를 구비하는 점에서 상기 하판(10)과 차이가 있다.

상기 단위 스토퍼(121)의 폭(W1)과 이격 거리(L1)는, 상기 탑 포일(34)의 두께 및 탄성을 고려하여 적절히 결정된다.

상술한 상기 하판(10a)을 사용하게 되면, 상기 회전부(R)의 회전 속도가 동일하다는 전제에서, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 앞전(35)의 상면에 발생하는 공기압(P5)의 값이 도 11에 도시된 공기압(P4)보다 더 큰 값을 가질 수 있는 장점이 있다. 왜냐하면 상기 스토퍼(12)를 사용하는 경우와 달리, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 앞전(35)의 중간부의 처짐이 상기 앞전(35)의 양단부의 처짐보다 조금 커질 수 있기 때문이다.

상술한 실시예에서들에서는, 상기 상판(30)과 상기 하판(10) 및 상기 중간판(20)이 각각 1개만 장착되어 있으나, 상기 상판(30)과 상기 하판(10) 및 상기 중간판(20) 중 적어도 어느 하나가 2개 이상 장착될 수도 있음은 물론이다.

상술한 실시예에서들에서는, 상기 앞전(35) 및 뒷전(36)의 곡률 중심이 1개인 것으로 표현되고 있으나, 상기 앞전(35) 및 뒷전(36)이 다수개의 곡률 중심을 구비하여 복잡한 형상의 곡면을 포함할 수도 있음은 물론이다.

이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.

＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100: 스러스트 포일 공기 베어링
10, 10a: 하판
11: 하판 본체
12: 스토퍼
13: 베어링 장착공
14: 절개부
15, 15a, 15b, 15c: 냉각로
20: 중간판
21: 중간판 본체
22: 제1 관통공
23: 베어링 장착공
24: 범프 포일
25: 상류측 변
26: 하류측 변
27: 제2 관통공
28: 절개부
30: 상판
31: 상판 본체
32a: 중간 관통공
32b: 내측 관통공
32c: 외측 관통공
33: 베어링 장착공
34: 탑 포일
35: 앞전
36: 뒷전
121: 단위 스토퍼
341: 탑 포일 본체
342: 제1 날개
343: 제2 날개
1, 1a: 종래의 스러스트 포일 공기 베어링
2: 하판
3: 범프 포일
4: 탑 포일
P1, P2, P3, P4, P5: 공기압
R1: 제1 곡률
R2: 제2 곡률

Claims (10)

1. 정지부와, 상기 정지부에 대하여 중심선을 중심으로 상대 회전하는 회전부를 구비하는 장치에 사용 가능한 스러스트 포일 공기 베어링으로서,
   상기 정지부에 상대 이동 불가능하게 결합될 수 있는 하판;
   상기 하판의 상면에 배치되며, 탄성 변형이 가능한 범프 포일;을 구비하는 중간판;
   상기 중간판의 상면에 배치되어 상기 회전부와 마주할 수 있으며, 상기 범프 포일의 상측에 배치되어 상기 회전부와 접촉 가능한 탑 포일;을 구비하는 상판;을 포함하며,
   상기 탑 포일은, 공기의 흐름을 기준으로 상류측에 배치되어 있으며, 상기 회전부의 회전으로 발생하는 공기압에 의하여 상기 하판을 향하여 하방으로 위치 이동될 수 있도록 마련된 앞전을 구비하는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
2. 제 1항에 있어서,
   상기 탑 포일은, 탑 포일 본체; 상기 탑 포일 본체로부터 상류측으로 돌출되도록 형성되어, 상하로 탄성 변형 가능하게 마련된 외팔보 형상의 제1 날개;를 구비하며,
   상기 앞전은, 상기 제1 날개의 전단부에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제1 날개는,
   상기 중심선의 원주 방향을 따라 연장되어 있으며, 상기 탑 포일의 내측에 형성된 내측 관통공;과
   상기 중심선의 원주 방향을 따라 연장되어 있으며, 상기 탑 포일의 외측에 형성된 외측 관통공;과
   상기 중심선의 반경 방향을 따라 연장되어 있으며, 상기 내측 관통공과 외측 관통공을 연결시키는 중간 관통공;의 협력에 의하여 형상이 결정되는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
4. 제 1항에 있어서,
   상기 앞전은, 미리 정한 제1 곡률로 하방으로 굽어진 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
5. 제 1항에 있어서,
   상기 하판은, 상기 앞전의 하방 탄성 변형을 미리 정한 크기로 제한할 수 있도록 상기 앞전을 구속하는 스토퍼를 구비하는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
6. 제 5항에 있어서,
   상기 스토퍼는, 상기 중간판을 관통한 상태로 상기 앞전의 하방에 배치되어 있으며, 상기 앞전의 하면을 받쳐서 지지할 수 있는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
7. 제 5항에 있어서,
   상기 스토퍼는, 상기 중심선의 반경 방향으로 연장되어 있으며, "ㄱ" 자 형상으로 절곡된 단면 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
8. 제 5항에 있어서,
   상기 스토퍼는, 상기 중심선의 반경 방향으로 서로 이격되어 나열된 복수 개의 단위 스토퍼를 구비하는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
9. 제 1항에 있어서,
   상기 탑 포일은, 공기의 흐름을 기준으로 하류측에 배치되어 있으며 미리 정한 제2 곡률로 하방으로 굽어진 형상을 가진 뒷전을 구비하는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
10. 제 1항에 있어서,
    상기 하판과 중간판 및 상판은, 베어링 장착용 핀이 관통하는 베어링 장착공을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 스러스트 포일 공기 베어링
    

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