KR20170077310A

KR20170077310A - 래디알 에어 베어링

Info

Publication number: KR20170077310A
Application number: KR1020150187052A
Authority: KR
Inventors: 정인환
Original assignee: 정인환
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-07-06

Abstract

본 발명(Disclosure)은, 터보압축시스템과 같은 고속회전체의 지지에 사용되며, 안정성과 내구성이 향상된 구조를 가지는 래디알 에어 베어링에 관한 것으로서, 원통형의 내면으로 정의되는 수용공간을 가지는 베어링 하우징; 상기 수용공간에 배치되며, 설정된 두께를 가지는 판 부재로서 속이 빈 원통형으로 구비되고, 그 길이방향으로 절개된 탑 포일; 상기 원통형의 내면과 상기 탑 포일의 외면 사이에 배치되며, 상기 원통형의 내면에 면 접촉되는 제1 접촉부와, 상기 원통형의 내면으로부터 볼록한 단면형상을 가지는 제1 볼록부가 상기 베어링 하우징의 내주를 따라 번갈아 배치되는 제1 범프 포일; 및 상기 제1 범프 포일과 상기 탑 포일의 외면 사이에 배치되며, 상기 제1 접촉부와 일대일 대응되고 상기 제1 접촉부에 접촉되며 상기 베어링 하우징의 내주 방향으로 상기 제1 접촉부보다 폭이 작은 제2 접촉부와, 상기 제1 볼록부와 일대일 대응되고 상기 베어링 하우징의 내주 방향으로 상기 제1 볼록부보다 폭이 크며 상기 베어링 하우징의 내경 방향으로 상기 제1 볼록부와 접촉되고 상기 원통형의 내면으로부터 볼록한 단면형상을 가지는 제2 볼록부가 상기 베어링 하우징의 내주를 따라 번갈아 배치되는 제2 범프;를 포함하는 래디알 에어 베어링을 제1 발명으로 제공한다.

Description

래디알 에어 베어링{RADIAL AIR BEARING}

본 발명(Disclosure)은, 래디알 에어 베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터보압축시스템과 같은 고속회전체의 지지에 사용되며, 안정성과 내구성이 향상된 구조를 가지는 래디알 에어 베어링에 관한 것이다.

여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).

터보 압축시스템의 구동모터는 영구자석을 사용하는 동기모터에 임펠라(IMPELLER)를 직결하고 고속회전하여 압축공기를 생산하는 모터이다.

터보 압축시스템의 구동모터를 사용한 터보 블로워는 기존의 루츠 블로워 대비 30~40%의 에너지가 절감되며, 오일이나 그리스를 사용하지 않으므로 주변의 오염이 없고, 압축된 공기를 추가적인 설비 없이 바로 사용 가능하다.

주로 수 처리 시설이나 분체 이송용으로 많이 사용되고 있으며, 이 설비의 핵심은 모터이다.

필요한 압축공기를 생산하기 위하여 고속으로 회전하며 고속회전을 하기 위해 비접촉식 에어 베어링이 사용된다.

에어 베어링의 구성은 크게 스러스트 베어링과 래디알 베어링으로 되어 있으며 이들 베어링은 모터의 회전 시 유체 동압을 이용하여 자가 부양을 하고 비접촉식으로 고속회전이 가능하다.

통상적으로, 에어 베어링은 회전체와 탑 포일(top foil) 사이의 상대 운동으로 발생 된 동압에 의하여 회전체 및 하중을 지지하는데, 점성이 낮은 공기를 윤활제로 이용하기 때문에 고체 접촉시에 손상을 막기 위하여 마찰 면에는 고체 윤활 코팅을 하여 상기와 같은 단점을 보완할 수가 있다.

특히, 에어 포일 베어링은 일반적인 동압 베어링과는 달리 내부로부터 발생된 압력 분포와, 외부 하중 상황에 따라 탑 포일 및 범프 포일(bump foil)의 형상이 능동적으로 변화하기 때문에 고속 회전뿐만 아니라, 고하중 조건의 에어 베어링의 사용도 가능하다.

따라서, 종래의 볼 베어링(ball bearing) 및 유체막 베어링(fluid film bearing)으로 사용할 수 없었던 회전 직경과 속도의 곱(DN치), 예를 들어, 4,000,000DN까지 사용할 수 있다.

에어 베어링은 고속 회전이 가능하기 때문에 소형 또는 경량의 터보 기계의 베어링으로 사용 가능하며, 산업상으로는 공기 압축기, 가스 압축기, 냉매 압축기, 터보 블로워와 같은 터보 기계 내부에서 고속으로 회전하는 회전체를 축 방향 또는 반경 방향으로 지지하기 위하여 적용될 수 있다.

한편, 종래의 에어 베어링은 고체 윤활제층을 베어링 면상(예: 에어 포일 베어링의 경우 탑 포일)에 코팅하는데, 회전체의 회전시에 항상 같은 부분에서 마모가 발생하게 되며, 마모가 발생하는 부분의 코팅의 내마모성이 전체 베어링 시스템의 내마모성을 좌우하게 된다.

또한, 베어링에는 비교적 단열이 잘되지만, 베어링보다 표면적이 큰 회전체를 통하여 많은 열이 전달된다.

이러한 이유로 종래 에어 베어링의 안정성 및 내구성을 향상시키기 위한 다양한 구조의 개발이 이루어져 왔다.

한국공개특허 제10-2005-0081560호, 한국공개특허 제10-2006-0054524호, 한국공개특허 제10-2002-0067790호를 예로 들 수 있다.

1. 특허문헌 0001) 한국공개특허 제10-2005-0081560호 2. 특허문헌 0002) 한국공개특허 제10-2006-0054524호 3. 특허문헌 0003) 한국공개특허 제10-2002-0067790호

본 발명은, 고 하중의 불안정성에 대응할 수 있는 래디알 에어 베어링의 제공을 일 목적으로 한다.

본 발명은, 의도하지 않은 방향의 운전 또는 탑 포일의 열변형에 대응하여 베어링을 보호할 수 있는 래디알 에어 베어링의 제공을 일 목적으로 한다.

본 발명은, 내부 온도의 과도한 상승에 대응하여 베어링을 보호할 수 있는 래디알 에어 베어링의 제공을 일 목적으로 한다.

여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).

상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명은, 원통형의 내면으로 정의되는 수용공간을 가지는 베어링 하우징; 상기 수용공간에 배치되며, 설정된 두께를 가지는 판 부재로서 속이 빈 원통형으로 구비되고, 그 길이방향으로 절개된 탑 포일; 상기 원통형의 내면과 상기 탑 포일의 외면 사이에 배치되며, 상기 원통형의 내면에 면 접촉되는 제1 접촉부와, 상기 원통형의 내면으로부터 볼록한 단면형상을 가지는 제1 볼록부가 상기 베어링 하우징의 내주를 따라 번갈아 배치되는 제1 범프 포일; 및 상기 제1 범프 포일과 상기 탑 포일의 외면 사이에 배치되며, 상기 제1 접촉부와 일대일 대응되고 상기 제1 접촉부에 접촉되며 상기 베어링 하우징의 내주 방향으로 상기 제1 접촉부보다 폭이 작은 제2 접촉부와, 상기 제1 볼록부와 일대일 대응되고 상기 베어링 하우징의 내주 방향으로 상기 제1 볼록부보다 폭이 크며 상기 베어링 하우징의 내경 방향으로 상기 제1 볼록부와 접촉되고 상기 원통형의 내면으로부터 볼록한 단면형상을 가지는 제2 볼록부가 상기 베어링 하우징의 내주를 따라 번갈아 배치되는 제2 범프;를 포함하는 래디알 에어 베어링을 제1 발명으로 제공한다.

본 발명은, 제1 발명의 래디알 에어 베어링으로서, 상기 베어링 하우징은, 상기 원통형의 내면이 상기 수용공간의 반경 방향으로 함몰되어 형성되며, 상기 수용공간의 길이방향으로 길게 형성되는 키 홈;을 가지며, 상기 탑 포일은, 상기 탑 포일의 길이방향으로 절개된 단부의 외면에 각각 구비되며, 상기 키 홈에 삽입되는 2개의 키를 가지는 래디알 에어 베어링을 제2 발명으로 제공한다.

본 발명은, 제2 발명의 래디알 에어 베어링으로서, 상기 베어링 하우징은, 상기 원통형의 내면이 상기 수용공간의 반경 방향으로 함몰되어 형성되며, 상기 수용공간의 길이방향으로 길게 형성되는 삽입홈; 및 상기 삽입홈에 삽입되어 설치되는 온도센서;를 가지는 래디알 에어 베어링을 제3 발명으로 제공한다.

본 발명은, 제3 발명의 래디알 에어 베어링으로서, 상기 삽입홈은, 상기 수용공간의 중심에 대해 상기 키 홈과 100°~ 140°간격을 가지는 위치에 형성되는 래디알 에어 베어링을 제4 발명으로 제공한다.

본 발명은, 제4 발명의 래디알 에어 베어링으로서, 상기 삽입홈은, 상기 수용공간의 중심과 상기 키 홈에 의해 정의되는 면에 대해 대칭이 되는 위치에 각각 형성되는 래디알 에어 베어링을 제5 발명으로 제공한다.

본 발명은, 제2 발명의 래디알 에어 베어링으로서, 상기 탑 포일은, 절개된 부분의 내측 단부가 모따기 처리된 래디알 에어 베어링을 제6 발명으로 제공한다.

본 발명에 따르면, 제1,2 범프 포일에 의해 고 하중에 따른 불안전성에 대응할 수 있게 된다.

본 발명에 따르면, 키 홈에 삽입되는 키를 탑 포일의 절개된 단부에 각각 구비하고, 탑 포일의 절개된 단부에 모따기를 형성하여 양방향 회전 또는 탑 포일의 변형에 의해 탑 포일의 단부에서 발생되는 코팅층의 벗겨짐을 방지할 수 있게 된다. 또한

본 발명에 따르면, 삽입홈을 형성하고 온도센서를 구비함으로써 내부 온도를 계측하여 소손을 미연에 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 래디알 에어 베어링의 단면을 보인 도면.
도 2는 도 1의 일부를 확대하여 보인 도면.
도 3은 도 1에서 베어링 하우징을 분리하여 보인 도면.
도 4는 도 1에서 탑 포일을 분리하여 보인 도면.
도 5는 도 4에서 일부를 확대하여 보인 도면.

이하, 본 개시에 따른 래디알 에어 베어링을 구현한 다양한 실시형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.

다만, 본 개시의 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 개시의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 본 개시와 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다양한 실시 형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 밝힌다.

또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 개시의 기술적 내용을 파악함에 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 개시의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 래디알 에어 베어링의 단면을 보인 도면, 도 2는 도 1의 일부를 확대하여 보인 도면, 도 3은 도 1에서 베어링 하우징을 분리하여 보인 도면, 도 4는 도 1에서 탑 포일을 분리하여 보인 도면, 도 5는 도 4에서 일부를 확대하여 보인 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 래디알 에어 베어링(100)은, 베어링 하우징(110), 탑 포일(120), 제1 범프 포일(130), 제2 범프 포일(140)을 포함한다.

베어링 하우징(110)은, 래디알 에어 베어링(100)의 외형을 형성하는 구성이며, 원통형의 내면으로 정의되는 수용공간(113)을 가진다.

탑 포일(120)은, 내부에 회전체(예: 모터의 회전축)가 결합 되어 베어링 지지 되는 것으로서, 내면은 고체윤활층으로 코팅되어 구비되는 것이 일반적이다.

탑 포일(120)은, 수용공간(113)에 배치되며, 설정된 두께를 가지는 판 부재로서 속이 빈 원통형으로 구비되고, 그 길이방향으로 절개되어 구비된다.

베어링 하우징(110)의 수용공간(113)과 탑 포일(120) 사이에는 탑 포일(120)의 내부에 결합 되는 회전체의 회전시 탑 포일(120)을 탄성 지지는 탄성체가 구비된다.

본 실시형태에서 탄성체는, 제1,2 범프 포일(130,140)로 구비된다.

제1 범프 포일(130)은, 수용공간(113)을 정의하는 원통형의 내면과 탑 포일(120)의 외면 사이에 배치되며, 베어링 하우징(110)의 내주를 따라 번갈아 배치되는 제1 접촉부(131)와 제1 볼록부(133)를 가진다.

제1 접촉부(131)는, 원통형의 내면에 면 접촉되도록 구비된다. 즉 원통형의 내면 곡률과 같은 곡률로 구비된다.

제1 볼록부(133)는, 원통형의 내면으로부터 볼록한 단면형상을 가지도록 형성된다. 즉 단면이 반원 또는 타원형으로 형성된다.

제2 범프 포일(140)은, 제1 범프 포일(130)과 결합 될 수 있도록 제1 접촉부(131)와 일대일 대응되는 제2 접촉부(141)와, 제1 볼록부(133)와 일대일 대응되는 제2 볼록부(143)를 가진다.

구체적으로, 제2 범프 포일(140)은, 제1 범프 포일(130)과 탑 포일(120)의 외면 사이에 배치되며, 제2 접촉부(141)와 제2 볼록부(143)는 베어링 하우징(110)의 내주를 따라 번갈아 배치된다.

제2 접촉부(141)는, 제1 접촉부(131)와 일대일 대응되고, 제1 접촉부(131)에 접촉되며, 베어링 하우징(110)의 내주 방향으로 제1 접촉부(131)보다 폭이 작게 구비된다.

여기서, 제2 접촉부(141)은 제1 접촉부(131)와 선접촉하도록 구비되는 것이 바람직하다. 따라서 제2 접촉부(141)는 제1 접촉부(131)를 향하여 볼록하게 구비되는 것이 바람직하다.

제2 볼록부(143)는, 제1 볼록부(133)와 일대일 대응되고, 베어링 하우징(110)의 내주 방향으로 제1 볼록부(133)보다 폭이 크며, 베어링 하우징(110)의 내경 방향으로 제1 볼록부(133)와 접촉되고, 원통형의 내면으로부터 볼록한 단면형상을 가지도록 구비된다.

여기서 제1 볼록부(133)는 볼록한 부분이 제2 볼록부(143)에 의해 감싸지도록 배치되되 제2 볼록부(143)의 중앙에 제1 볼록부(133)가 배치되고 중앙에서 양자가 접촉하도록 구비되는 것이 바람직하다.

이에 의하면, 회전체의 회전 시 탑 포일(120)에 가해지는 충격이 두 겹으로 구비되는 제1,2 범프 포일(130,140)에 의해 효과적으로 완충되는 것은 물론, 완충과정에서 제1,2 범프 포일(130,140)의 변형시 서로 간섭, 즉 제1,2 범프 포일(130,140)의 면이 서로 마주하여 미끄러지는 것이 방지되어 열발생 또는 마찰에 의한 범프 포일의 손상을 방지할 수 있다.

다음으로, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 베어링 하우징(110)은, 키 홈(111)을 가지며, 탑 포일(120)은 키 홈(111)에 삽입되는 키(123)를 가진다.

키 홈(111)은, 원통형의 내면이 수용공간(113)의 반경 방향으로 함몰되어 형성되며, 수용공간(113)의 길이방향으로 길게 형성된다.

키(123)는, 탑 포일(120)의 길이방향으로 절개된 단부의 외면에 각각, 즉 2개가 구비되며 키 홈(111)에 삽입된다.

탑 포일(120)의 내부에서 회전체가 회전하면서 탑 포일(120)에 가하는 충격으로 탑 포일(120)의 변형이 발생 되는데, 이는 탑 포일(120)의 길이방향으로 절개된 단부 사이의 단차를 유발하게 된다. 그 결과로 회전체가 탑 포일(120)의 길이방향으로 절개된 단부에 충격력이 집중되어 코팅된 고체 마찰층이 벗겨지는 문제가 발생 된다.

본 실시형태에서는 2개의 키(123)를 구비함으로써, 탑 포일(120)의 길이방향으로 절개된 단부 사이의 단차를 방지할 수 있게 된다.

더하여, 본 실시형태에서, 탑 포일(120)은, 절개된 부분의 내측 단부가 모따기 처리되어 구비되는 것이 바람직하다. 이 또한 단차 발생시 탑 포일(120)의 길이방향으로 절개된 단부에 가해지는 충격을 완화하기 위함이다.

한편, 본 실시형태에서, 베어링 하우징(110)은, 원통형의 내면이 수용공간(113)의 반경 방향으로 함몰되어 형성되며, 수용공간(113)의 길이방향으로 길게 형성되는 삽입홈(112)과, 삽입홈(112)에 삽입되어 설치되는 온도센서(미도시)를 가진다.

여기서, 삽입홈(112)은 회전체의 회전에 의해 발생 되는 열이 방출되는 통로로 작용할 수 있으며, 온도센서는 회전체의 회전에 의해 발생 되는 열이 과도한 경우 이를 외부에서 확인할 수 있도록 함으로써 베어링의 소손을 방지할 수 있게 한다.

이를 위해, 온도센서에 의해 감지된 온도를 바탕으로 연산하여 이상 유무를 판단하는 컨트롤러와, 이러한 정보 및 알람을 외부에 시각적, 청각적으로 표시하는 인터페이스 수단이 구비될 수 있다.

한편, 본 실시형태에서 삽입홈(112)은, 수용공간(113)의 중심에 대해 키 홈(111)과 100°~ 140°간격을 가지는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 삽입홈(112)은, 수용공간(113)의 중심과 키 홈(111)에 의해 정의되는 면에 대해 대칭이 되는 위치에 각각 형성되는 것이 바람직하다.

이는 회전체의 회전시 정상상태의 운전에 이르기까지의 초기 기동 또는 정상상태의 운전에서 정지에 이르기까지의 정지기동시 충격이 가장 많이 발생 되는 부분으로서 열에 의한 소손에 가장 취약한 부분이기 때문이다.

Claims

원통형의 내면으로 정의되는 수용공간을 가지는 베어링 하우징;
상기 수용공간에 배치되며, 설정된 두께를 가지는 판 부재로서 속이 빈 원통형으로 구비되고, 그 길이방향으로 절개된 탑 포일;
상기 원통형의 내면과 상기 탑 포일의 외면 사이에 배치되며, 상기 원통형의 내면에 면 접촉되는 제1 접촉부와, 상기 원통형의 내면으로부터 볼록한 단면형상을 가지는 제1 볼록부가 상기 베어링 하우징의 내주를 따라 번갈아 배치되는 제1 범프 포일; 및
상기 제1 범프 포일과 상기 탑 포일의 외면 사이에 배치되며, 상기 제1 접촉부와 일대일 대응되고 상기 제1 접촉부에 접촉되며 상기 베어링 하우징의 내주 방향으로 상기 제1 접촉부보다 폭이 작은 제2 접촉부와, 상기 제1 볼록부와 일대일 대응되고 상기 베어링 하우징의 내주 방향으로 상기 제1 볼록부보다 폭이 크며 상기 베어링 하우징의 내경 방향으로 상기 제1 볼록부와 접촉되고 상기 원통형의 내면으로부터 볼록한 단면형상을 가지는 제2 볼록부가 상기 베어링 하우징의 내주를 따라 번갈아 배치되는 제2 범프;를 포함하는 래디알 에어 베어링.
청구항 1에 있어서,
상기 베어링 하우징은, 상기 원통형의 내면이 상기 수용공간의 반경 방향으로 함몰되어 형성되며, 상기 수용공간의 길이방향으로 길게 형성되는 키 홈;을 가지며,
상기 탑 포일은, 상기 탑 포일의 길이방향으로 절개된 단부의 외면에 각각 구비되며, 상기 키 홈에 삽입되는 2개의 키를 가지는 것을 특징으로 하는 래디알 에어 베어링.
청구항 2에 있어서,
상기 베어링 하우징은,
상기 원통형의 내면이 상기 수용공간의 반경 방향으로 함몰되어 형성되며, 상기 수용공간의 길이방향으로 길게 형성되는 삽입홈; 및
상기 삽입홈에 삽입되어 설치되는 온도센서;를 가지는 것을 특징으로 하는 래디알 에어 베어링.
청구항 3에 있어서,
상기 삽입홈은, 상기 수용공간의 중심에 대해 상기 키 홈과 100°~ 140°간격을 가지는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 래디알 에어 베어링.
청구항 4에 있어서,
상기 삽입홈은, 상기 수용공간의 중심과 상기 키 홈에 의해 정의되는 면에 대해 대칭이 되는 위치에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 래디알 에어 베어링.
청구항 2에 있어서,
상기 탑 포일은, 절개된 부분의 내측 단부가 모따기 처리된 것을 특징으로 하는 래디알 에어 베어링.