KR20170061479A

KR20170061479A - 에어 포일 베어링

Info

Publication number: KR20170061479A
Application number: KR1020150166579A
Authority: KR
Inventors: 박치용; 김명훈; 박건웅; 양현섭; 임차유; 정현석
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-05
Anticipated expiration: 2035-11-26
Also published as: KR102485661B1

Abstract

본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)를 포함하며, 상기 범프 포일(706)은 서로 이격된 복수 개의 단위 포일을 포함하며, 상기 단위 포일은 서로 다른 기준 길이(L)를 갖는 복수의 범프(706a)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 범프 포일의 길이를 서로 다르게 배열함으로써 범프 포일의 변형량 및 강성을 조절할 수 있고, 베어링 내 유입된 공기 누설을 방지할 수 있다. 이에 따라 압력 손실을 방지하고 진동 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

에어 포일 베어링{Air foil bearing}

본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력을 형성하는 공기의 누설을 방지할 수 있는 에어 포일 베어링에 관한 것이다.

베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전 가능하게 지지하는 기계 요소이다. 볼 베어링이나 저널 베어링은 유막을 이용해 축을 지지하는 방식이고, 포일 베어링은 탑 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 방식의 베어링이다.

에어 포일 베어링은 로터가 고속 회전할 때 로터 또는 베어링 디스크와 접하는 포일 사이에 점성을 갖는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 축 하중을 지지한다.

에어 포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전축을 지지하는데 효과적이므로, 터보 압축기나 터보 쿨러, 터보 발전기, 공기 압축기 등의 회전기기 내에서 고속으로 회전하는 회전축에 적용할 수 있다.

이러한 에어 포일 베어링의 일 예가 한국특허등록 제1396889호에 개시되어 있다.

일반적으로 에어 포일 베어링은 한 쌍의 원판 형상의 플레이트 사이에 범프 포일 및 탑 포일이 배치되는 구조를 갖는다. 에어 포일 베어링의 하중지지 능력은 베어링 내부에 형성되는 공기의 전체 압력에 의해 결정되는 것이므로 전체 압력을 높일 필요가 있다. 그러나 종래의 에어 포일 베어링은 로터의 가진에 따른 진동 발생 시 로터와 에어 포일 베어링 사이의 공기가 누설되어 하중 지지력이 낮아지는 문제가 있다. 또한, 가진력이 하중 지지력보다 커지면 로터와 에어 포일 베어링의 거리가 가까워져 로터 및 에어 포일 베어링이 파손되는 문제가 발생된다.

한국특허등록 제1396889호(등록일: 2015. 05. 13)

본 발명의 목적은 압력을 형성하는 공기의 누설을 방지할 수 있는 에어 포일 베어링을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 에어 포일 베어링은, 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)를 포함하며, 상기 범프 포일(706)은 서로 이격된 복수 개의 단위 포일을 포함하며, 상기 단위 포일은 서로 다른 기준 길이(L)를 갖는 복수의 범프(706a)를 포함한다.

상기 기준 길이(L)는 상기 범프(706a)의 단부에서 중심점까지의 폭인 것을 특징으로 한다.

상기 범프(706a)의 높이 방향 변형량은 상기 기준 길이(L)의 3제곱에 비례하는 것을 특징으로 한다.

상기 단위 포일은 일단이 상기 플레이트(702)에 용접되고, 상기 범프 포일(706)은 상기 회전 방향 쪽 및 상기 단위 포일의 용접되지 않은 단부 쪽으로 갈수록 이웃한 상기 범프(706a)보다 상기 기준 길이(L)가 짧은 상기 범프(706a)가 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 범프 포일(706)은 상기 회전 방향 반대 쪽 및 상기 단위 포일의 용접된 단부 쪽으로 갈수록 이웃한 상기 범프(706a)보다 상기 기준 길이(L)가 긴 상기 범프(706a)가 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 이웃한 범프(706a)가 갖는 상기 기준 길이(L)의 차이는 20% 이내인 것을 특징으로 한다.

상기 단위 포일은 별도의 금형(M)에 의해 각기 다른 상기 기준 길이(L)를 갖도록 만들어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 에어 포일 베어링은, 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)를 포함하며, 상기 범프 포일(706)은 일단이 상기 플레이트(702)에 용접되고 서로 이격된 제1 내지 제5 단위 포일(a~e)을 포함하며, 상기 단위 포일(a~e)은 서로 다른 기준 길이(L)를 갖는 복수의 범프(706a)를 포함한다.

상기 제1 단위 포일(a)에서 상기 제5 단위 포일(e)로 갈수록 1개에서 5개로 상기 범프(706a)의 개수가 증가되며, 상기 제1 단위 포일(a) 내지 상기 제5 단위 포일(e)은 상기 회전 방향 쪽 및 상기 단위 포일(a~e)의 용접되지 않은 단부 쪽으로 갈수록 상기 기준 길이(L)가 짧아지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 단위 포일(a) 내지 상기 제5 단위 포일(e)은 상기 회전 방향 반대 쪽 및 상기 단위 포일(a~e)의 용접된 단부 쪽으로 갈수록 상기 기준 길이(L)가 증가하는 것을 특징으로 한다.

상기 단위 포일(a~e)은 별도의 금형(M)에 의해 각기 다른 상기 기준 길이(L)를 갖도록 만들어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링은 범프 포일의 길이를 서로 다르게 배열함으로써 범프 포일의 변형량 및 강성을 조절할 수 있고, 베어링 내 유입된 공기 누설을 방지할 수 있다. 이에 따라 압력 손실을 방지하고 진동 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링이 설치된 예를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링을 도시한 평면도,
도 3은 도 2의 에어 포일 베어링에 따른 범프 포일을 도시한 평면도,
도 4는 도 3의 E-E'선에 따른 단면을 도시한 모식도,
도 5는 도 3의 범프 포일에 따른 금형의 일 예를 도시한 모식도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링이 설치된 예를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전축이 구비된 기계장치에 설치된다. 본 명세서에서는 편의상 공기 압축기(10)에 장착된 블로어 모터(600)의 회전축(650)을 지지하는데 에어 포일 베어링(트러스트 베어링, 700)이 설치된 것을 예로 들어 설명하고자 한다(그러나 이러한 설명은 하나의 실시 예일 뿐, 회전하는 축을 가진 기계장치 어디에 적용되어도 무방하다).

차량용 공기 압축기(10)는 외관을 형성하는 하우징(100)과, 하우징(100)의 전방에 결합되어 공기를 압축하는 임펠러(400)와, 임펠러(400)를 수용하는 임펠러 수용부(200) 및 임펠러 하우징(300)과, 하우징(100)의 후방에 결합되는 리어 커버(500)와, 하우징(100)의 내부에 설치되어 임펠러(400)를 회전 구동시키는 블로어 모터(600)를 포함하여 구성된다.

임펠러 하우징(300)의 전방 중앙에는 외부 공기가 유입되는 공기 유입구(310)가 형성되고, 전방 양측에는 공기 토출구(330)가 형성된다. 임펠러(400)는 임펠러 하우징(300)의 내부에 설치되며, 임펠러(400)를 관통하는 중공에 후술할 블로어 모터(600)의 회전축(650)이 결합된다. 즉, 임펠러(400)는 회전축(650)에 의해 지지된다. 임펠러(400)에 의해 공기 유입구(310)를 통해 흡입된 공기는 임펠러(400)에 의해 압축되어 공기 토출구(330)로 배출된다.

블로어 모터(600)는 하우징(100)의 내측에 삽입된 모터 하우징(600a)에 삽입된다. 블로어 모터(600)는 모터 하우징(600a)의 내주면에 인접하게 설치되며 중공(번호 미표기)을 갖는 스테이터(630)와, 스테이터(630)의 중공을 관통하여 설치되는 회전축(650)과, 회전축(650)의 외주면에 결합되는 로터(610)로 구성된다. 스테이터(630)는 플레이트(630a) 및 코일(630b)로 구성되어 고정되고, 로터(610)는 회전축(650)의 외주면에 일체로 형성된다.

회전축(650)은 일단이 임펠러(400)의 중공에 결합된 상태에서 임펠러(400)의 후방에 설치되는 트러스트 베어링(thrust bearing, 700) 및 저널 베어링(750)에 의해 하우징(100)의 내측에 회전 가능하게 지지되고, 후방 단부 역시 후방 베어링(800)에 의해 회전 가능하게 지지된다.

이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링을 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2의 에어 포일 베어링에 따른 범프 포일을 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3의 E-E'선에 따른 단면을 도시한 모식도이다. 도 5는 도 3의 범프 포일에 따른 금형의 일 예를 도시한 모식도이다.

회전축(650)의 전방 쪽에는 원판 형상의 트러스트 디스크(652)가 형성되며, 트러스트 디스크(652)의 전방 쪽 일면 및 후방 쪽 타면에 인접하여 트러스트 베어링(700)이 삽입된다(도 1 참조).

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트러스트 베어링(700)은 에어 포일(air foil) 베어링으로, 원판형의 플레이트(702)에 복수의 부채꼴 형상의 범프 포일(706)을 안착시키고 다시 탑 포일(704)로 커버한 형태이다. 트러스트 베어링(700)의 중앙에는 회전축(650)이 삽입되는 원형의 홀이 형성된다. 회전축(650)이 트러스트 베어링(700)의 홀에 삽입된 상태에서 범프 포일(706)의 일면은 탑 포일(704)가 트러스트 디스크(652)의 일면과 인접하고 타면은 플레이트(702)에 안착된다.

탑 포일(704)는 일단이 플레이트(702)에 고정되고 타단이 플레이트(702)와 이격되어 변형되는 자유단으로 형성된다. 탑 포일(704)의 고정단은 용접에 의해 플레이트(702)에 부착된다.

범프 포일(706)은 복수 개의 단위 포일(a~e)이 부채꼴의 판 형태로 배치되어 하나의 범프 포일(706)을 형성하며, 탑 포일(704)의 고정단과 자유단의 사이에서 탑 포일(704)와 접촉된다.

단위 포일(a~e)은 일단이 용접에 의해 플레이트(702)에 고정되고, 고정된 일단에서 타단을 향해 반원형의 범프(706a)와 직선형의 연결부(706b)가 반복 형성된다.

로터(630)의 고속회전에 따라 트러스트 디스크(652)와 에어 포일 사이에 점성을 갖는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 회전 시 하중을 지지한다.

동일한 피치(Pitch), 높이(Height), 길이(Length), 두께(Thickness)를 갖는 트러스트 베어링(700)에서, 하중 지지력은 공기의 점성뿐만 아니라 범프 포일(706)의 강성에도 영향을 받는다.

탑 포일(704)의 특정 부분만 마모되지 않도록 범프(706a)의 높이(h)는 모든 단위 포일(a~e)에서 동일하게 구성되며, 범프(706a)의 단부에서 중심점까지의 폭(이하 범프의 기준 길이라고 정의함, L)은 범프 포일(706)의 강성 설계에 따라 하나의 단위 포일(a~e) 내에서도 다르게 형성될 수 있다.

범프(706a)의 수직 방향(높이 방향) 변형량은 범프(706a)의 기준 길이(L)의 3제곱에 비례한다. 즉, 범프(706a)의 수직 방향 변형량은 범프(706a)의 기준 길이(L)가 커질수록 커지므로, 범프 포일(706)에서 상대적으로 적은 강성을 필요로 하는 부분은 범프(706a)의 기준 길이(L)가 긴 것을 배치할 수 있다. 범프 포일(706)에서 상대적으로 큰 강성을 필요로 하는 부분은 범프(706a)의 기준 길이(L)를 작게 형성하여 범프(706a)의 수직 방향 변형량이 작아지도록 하는 것이 바람직하다.

일반적으로 로터(630)의 회전 방향에 따른 공기의 유입 방향은 도 2의 A 방향이며, 공기의 누설 방향은 대략 플레이트(702)의 반경 방향인 B 및 C 방향을 향하게 된다. 그런데 도 3에서와 같이 범프 포일(706)에서 높은 강성을 필요로 하는 부분이 압력을 많이 받는 가장자리 부분(D 영역)이다. 따라서 이 부분에 범프(706a)의 기준 길이(L)가 작은 것을 배치하면 강성이 증가해 범프(706a)의 수직 방향 변형량이 작으므로 해당 부분이 다른 부분에 비해 상대적으로 덜 눌리게 된다. 공기가 누설되는 방향으로 높은 강성의 범프(706a)가 구비되므로 공기의 누설을 최소화할 수 있어 하중 지지를 위한 적정 압력을 유지할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 범프 포일(706) 내에서 높은 강성을 필요로하는 부분은 범프 포일(706)의 바깥쪽 및 회전 방향 쪽이므로 이 부분에 범프(706a)의 기준 길이(L)가 짧은 것을 배치하는 것이 바람직하다. 범프 포일(706)의 내측 및 회전 반대 방향일수록 범프(706a)의 기준 길이(L)가 짧은 것을 배치할 수 있다(도 3에서 숫자가 클수록 범프의 기준 길이가 짧은 것임).

예를 들어, 범프(706a)의 기준 길이(L)가 1 내지 5단계(① ~ ⑤)로 구분된다면, 제1 단위 포일(a)에는 3단계(③)의 범프를 배치하고, 제2 단위 포일(b)에는 2단계(②) 및 3단계(③)의 범프를 순차적으로 배치할 수 있다. 또한, 제3 단위 포일(c)에는 1단계(①) 내지 3단계(③)의 범프를 순차적으로 배치할 수 있고, 제4 단위 포일(d)에는 2단계(②) 내지 5단계(⑤)의 범프를 순차적으로 배치할 수 있다. 제5 단위 포일(e)에는 3단계(③) 및 4단계(④), 5단계(⑤)의 범프를 순차적으로 배치하고, 가장자리에 5단계(⑤)의 범프를 추가로 2개 더 배치할 수 있다.

범프(706a)의 기준 길이(L)는 도 3의 큰 숫자에서 작은 숫자로 갈수록 이전 범프(706a)의 기준 길이(L)의 80% 이상의 길이를 갖도록 형성된다. 즉, 범프(706a)의 기준 길이(L)는 단계별로 20% 이내로 감소하도록 설계된다. 또한, 범프(706a)의 기준 길이(L)가 가장 긴 것은 가장 짧은 길이의 200%를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

예를 들어 좀더 상세히 설명하면, 5열의 단위 포일(a~e)의 제1 범프(③) 내지 제3 범프(⑤)가 서로 다른 기준 길이(L)를 갖는다고 하면, 제2 범프(④)의 기준 길이(L)는 제1 범프(③)의 기준 길이(L)의 80% 이상의 길이를 갖도록 만들어진다. 또한, 제3 범프(⑤)의 기준 길이(L)는 제2 범프(④)의 기준 길이(L)의 80% 이상의 길이를 갖도록 만들어진다.

이러한 구조의 단위 포일(a~e)은 범프(706a)의 기준 길이(L)가 각기 다르게 형성되어야 하므로, 각 단위 포일(a~e) 별로 금형이 필요하다. 따라서 단위 포일(a~e)의 개수가 필요한 금형의 개수가 된다. 각 금형(M)은 도 5에 도시된 바와 같이, 각기 다른 기준 길이(L)를 갖는 범프(706a)를 성형할 수 있도록 만들어진다.

도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 범프 포일(706)은 각 단위 포일(a~e) 별로 제작된 금형을 통해 프레스 가공을 한 후 와이어 커팅한 단위 포일(a~e)을 용접해 부채꼴 형태로 배열함으로써 형성된다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.

10: 공기 압축기 100: 하우징
110: 임펠러 수용부 300: 임펠러 하우징
310: 공기 유입구 330: 공기 토출구
400: 임펠러 500: 리어 커버
600: 블로어 모터 600a: 모터 하우징
610: 로터 630: 스테이터
650: 회전축 700: 트러스트 베어링
702: 플레이트 704: 탑 포일
706: 범프 포일 a~e: 단위 포일
706a: 범프 706b: 연결부

Claims

회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서,
상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)를 포함하며,
상기 범프 포일(706)은 서로 이격된 복수 개의 단위 포일을 포함하며, 상기 단위 포일은 서로 다른 기준 길이(L)를 갖는 복수의 범프(706a)를 포함하는 에어 포일 베어링.
제1항에 있어서,
상기 기준 길이(L)는 상기 범프(706a)의 단부에서 중심점까지의 폭인 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제2항에 있어서,
상기 범프(706a)의 높이 방향 변형량은 상기 기준 길이(L)의 3제곱에 비례하는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제3항에 있어서,
상기 단위 포일은 일단이 상기 플레이트(702)에 용접되고, 상기 범프 포일(706)은 상기 회전 방향 쪽 및 상기 단위 포일의 용접되지 않은 단부 쪽으로 갈수록 이웃한 상기 범프(706a)보다 상기 기준 길이(L)가 짧은 상기 범프(706a)가 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제4항에 있어서,
상기 범프 포일(706)은 상기 회전 방향 반대 쪽 및 상기 단위 포일의 용접된 단부 쪽으로 갈수록 이웃한 상기 범프(706a)보다 상기 기준 길이(L)가 긴 상기 범프(706a)가 배치되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제5항에 있어서,
상기 이웃한 범프(706a)가 갖는 상기 기준 길이(L)의 차이는 20% 이내인 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제5항에 있어서,
상기 단위 포일은 별도의 금형(M)에 의해 각기 다른 상기 기준 길이(L)를 갖도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서,
상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)를 포함하며,
상기 범프 포일(706)은 일단이 상기 플레이트(702)에 용접되고 서로 이격된 제1 내지 제5 단위 포일(a~e)을 포함하며, 상기 단위 포일(a~e)은 서로 다른 기준 길이(L)를 갖는 복수의 범프(706a)를 포함하는 에어 포일 베어링.
제8항에 있어서,
상기 기준 길이(L)는 상기 범프(706a)의 단부에서 중심점까지의 폭인 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제9항에 있어서,
상기 범프(706a)의 높이 방향 변형량은 상기 기준 길이(L)의 3제곱에 비례하는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제10항에 있어서,
상기 제1 단위 포일(a)에서 상기 제5 단위 포일(e)로 갈수록 1개에서 5개로 상기 범프(706a)의 개수가 증가되며, 상기 제1 단위 포일(a) 내지 상기 제5 단위 포일(e)은 상기 회전 방향 쪽 및 상기 단위 포일(a~e)의 용접되지 않은 단부 쪽으로 갈수록 상기 기준 길이(L)가 짧아지는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제11항에 있어서,
상기 제1 단위 포일(a) 내지 상기 제5 단위 포일(e)은 상기 회전 방향 반대 쪽 및 상기 단위 포일(a~e)의 용접된 단부 쪽으로 갈수록 상기 기준 길이(L)가 증가하는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제12항에 있어서,
상기 이웃한 범프(706a)가 갖는 상기 기준 길이(L)의 차이는 20% 이내인 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
제13항에 있어서,
상기 단위 포일(a~e)은 별도의 금형(M)에 의해 각기 다른 상기 기준 길이(L)를 갖도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.