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KR20190027518A - 에어포일 베어링 및 이를 포함하는 공기압축기 - Google Patents

에어포일 베어링 및 이를 포함하는 공기압축기 Download PDF

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KR20190027518A
KR20190027518A KR1020170114397A KR20170114397A KR20190027518A KR 20190027518 A KR20190027518 A KR 20190027518A KR 1020170114397 A KR1020170114397 A KR 1020170114397A KR 20170114397 A KR20170114397 A KR 20170114397A KR 20190027518 A KR20190027518 A KR 20190027518A
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bump
bump foil
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bearing
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양현섭
최규성
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 에어포일 베어링에 관한 것이다. 본 실시 예에 의한 에어포일 베어링은 로터(10)를 기준으로 외측에 설치되고 키(302)에 양단부가 삽입되는 에어 포일 베어링에 있어서, 상기 로터(10)를 동심원으로 외측에 위치되는 탑 포일(100); 및 상기 탑 포일(100)을 감싸며 외측에 위치되고 길이 방향 양 단부에 상기 키(302)의 상대면과 각각 서로 다른 방향에서 마주보는 절곡부(205)를 포함한다.

Description

에어포일 베어링 및 이를 포함하는 공기압축기{Air foil bearing and air compressor having the same}
본 발명은 에어포일 베어링 및 이를 포함하는 공기압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로터의 축 방향으로 범프 포일의 이동을 방지할 수 있는 에어포일 베어링 및 이를 포함하는 공기압축기에 관한 것이다.
일반적으로 압축기, 터빈, 과급기 등과 같은 고속 회전기기의 회전축을 지지하는 베어링으로서 윤활유를 사용하지 않고 공기 또는 가스 상태의 유체를 작동 유체로서 사용하는 이른바 가스 베어링(gas bearing)은 크게 정압 베어링과 동압 베어링으로 분류할 수 있다.
정압 베어링은 외부 압축기로 가압한 공기나 가스를 강제로 베어링 사이에 공급하여 부하 지지능력을 얻는 형태로서, 압력 원천(외부 가압장치)을 필요로 하는 대신에 축이 회전하지 않을 때에도 축을 부양할 수 있으므로 고체 마찰에 의한 베어링 손상을 피할 수 있다.
이에 비해, 동압 베어링은 축의 회전에 따라 주변의 공기나 가스를 베어링 사이로 끌어들여 압력을 상승시켜서 부하능력을 얻는 형태로서, 별도의 압력 원천을 필요로 하지 않는 대신에 회전체의 기동 및 정지 시 필연적으로 고체마찰이 발생하여 베어링 수명이 단축되므로, 이를 방지하기 위해 베어링 면에 고체 윤활제의 코팅이 필요하다.
동압 베어링 중, 포일 베어링(foil bearing)은 굴곡형 박판을 겹쳐 베어링 면을 구현한 것으로서, 반경방향 하중을 지지하는 포일 래디얼 베어링 형태와 축방향 하중을 지지하는 포일 스러스트 베어링 형태로 적용되고 있다.
이 중 축 방향 하중을 지지하도록 스러스트 베어링 형태로 구현한 포일 스러스트 베어링에 대한 다양한 예가, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0360240호, 등록특허공보 등록번호 제10-0590139호, 등록특허공보 등록번호 제10-0954066호 등에 개시되어 있다.
포일 스러스트 베어링은 중심에 구동축 통과용 관통공이 형성되어 있고 베어링 하우징에 고정되는 원판형의 베이스 패드와, 베이스 패드의 상면에 방사상으로 부착되고 축 방향 힘에 대해 탄력적인 범프 포일(bump foil)과, 복수의 범프 포일을 덮으면서 베이스 패드에 부착되어 구동축의 스러스트 패드(thrust pad)(또는 '칼라(collar)' 라고도 불린다)를 마주보는 탑 포일(top foil)로 이루어진다.
상기 포일 스러스트 베어링은 구동축의 회전에 의해 구동축의 스러스트 패드와 탑 포일 사이로 주변의 공기를 끌어들여 공기층을 형성하여 구동축의 축방향 하중을 지지하게 된다.
정압 베어링에서는 앞에서 설명한 바와 같이 가압 공기를 강제로 공급하여 하중을 지지하여야 하므로 외부의 압력 원천이 필요하지만 기동 초기나 구동축이 회전하지 않을 때에도 구동축을 부양할 수 있으므로 고체 마찰에 의한 베어링 손상을 피할 수 있다.
이에 비해 동압 베어링인 포일 스러스트 베어링은 별도의 압력 원천을 필요로 하지 않아 적용이 간단하나 구동축의 기동 초기나 정지 말기에는 탑 포일과 스러스트 패드가 필연적으로 고체마찰을 일으키기 때문에 베어링 수명이 단축되는 폐단이 있다.
또한, 고체 마찰에 의한 손상을 줄이기 위해 탑 포일과 스러스트 패드에 고체 윤활제 코팅을 행하여야 함으로써 제조원가가 증가하고, 고체 윤활제 코팅을 하더라도 고체 마찰은 그대로 계속되는 문제점이 발생되었다.
베어링은 크게 구름베어링, 무급유 베어링, 미끄럼 베어링, 기체베어링, 자기베어링으로 나뉘어 진다. 미끄럼베어링은 동압과 정압으로 구별되며, 동압 미끄럼베어링은 상대미끄럼 운동에 의하여 오일이 압력을 발생하여 축을 지지하며, 정압 미끄럼 베어링은 베어링 외부에서 고압의 오일을 공급함으로써 축을 지지한다.
기체베어링은 기름대신 기체가 사용되는 것을 제외하고는 미끄럼베어링과 동일한 원리로 동작한다. 외부에서 가압기체를 넣어주면 정압 기체베어링이며, 상대미끄럼 운동에 의하여 압력이 발생하면 동압 기체베어링이다.
동압기체베어링은 적은 마찰손실과 액체윤활유의 불필요성 등의 이유로 고속회전응용분야에 널리 사용되고 있으며, 특히 구름베어링으로 지지하기 어려운 초고속분야와 액체 윤활류를 사용하기 어려운 곳에 주로 사용되어 지고 있다.
동압기체 베어링은 홈붙이 베어링, 틸팅패드베어링,포일베어링 으로 나뉘어 지며, 홈붙이 베어링은 홈을 설치하여 압력을 발생시키는 구조이며, 스파이럴 홈붙이 베어링이 대표적인 예이다. 동압 유체 필름 틸트 패드 베어링(Hydrodynamic fluid-film tilt pad bearing)은 사용조건이 매우 제한적이기 때문에 그 조건을 넘어서면 파손될 위험이 커지게 되는 단점이 있다.
예를 들어 설계조건 이상 또는 이하의 조건에서 강성이 급격히 저하하기 때문에 이 베어링은 충격과 축의 비정렬(misalignment)과 열변형에 매우 취약하다. 이에 비해 컴플라이언트 동압 유체필름베어링(Compliant hydrodynamic fluid-film bearing) 이라고 불리는 포일베어링은 고정형태의 틸트패드베어링에 비하여 확연하게 높은 성능을 제공한다. 특히 10만 RPM이 넘는 초고속회전의 극저온용 터보압축기와 같은 고속회전기계에 사용되고 포일베어링은 크게 두 가지로 나뉘어진다.
또한 날개형태의 날개 포일을 회전방향으로 일부 겹쳐 배치하고 축을 지지하는 리프타입(Leaf Type)과, 전체를 하나의 포일로 하고 포일 외부에 여러 가지 형태로 포일을 지지하는 스프링(Spring)을 배치하는 범프타입(Bump Type)으로 나뉘어진다.
리프타입은 지지하중이 작고 외부충격이 적은 경우에 적용이 가능하며 기동토크가 큰 단점을 가지고 있다. 이에 비하여 범프타입은 기동시의 부하가 작으며, 내구성 및 강성이 우수하다고 알려져 있으나, 설계와 생산이 까다로우며 특히 안정성을 확보하는 것이 어려운 특징이 있다.
베어링 하우징(Bearing Housing) 안쪽에 스프링역할을 하는 범프(BumpFoil)가 베어링 하우징(Bearing Housing)에 용접되어 있고, 그 안쪽에 실질적으로 축(Shaft, Journal)과 맞닿는 탑포일(Top Foil)이 베어링 하우징(Bearing Housing)에 용접되어 있다.
축이 회전하여 공기를 끌고 지나가면 탑포일과 범프가 변형되며, 하중을 지지하는 유체필름을 형성하기 위한 공간을 생성하게 된다. 포일베어링에서 유체필름을 발생시키기 위한 기하학적형상은 탑포일의 탄성변형에 의해서 제공된다.
회전수가 높아질 수록 탑포일과 범프는 바깥쪽으로 밀려나가게 되며 축이 중심에서 벗어나게 되면 쐐기모양(Converging Wedge)의 공간이 형상된다. 이 때 포일베어링에서는 탑포일이 변형되는 특징을 가지고 있으므로 설계를 잘하여 미세한 탑포일의 변형에 의하여 복잡한 기계가공없이 적절한 동압이 발생되는 최적의 형태를 얻을 수 있게 된다. 또한 반경방향의 여유가 생기므로, 고속회전에 따른 축직경의 증가에 대응할 수 있게 되는 장점을 얻을 수 있다.
이러한 특성을 결정 짓는 것은 탑포일의 두께와 탑포일을 지지하는 범프의 형상이다. 특히 범프의 설계에 따라 축계가 필요로 하는 강성과 댐핑(Damping)을 제공하는 것이 결정되어 지므로, 범프의 형태, 두께, 높이, 피치, 개수 등이 베어링의 성능을 결정짓는 가장 중요한 인자가 된다.
상기 범프는 축에 설치될 경우 축 방향에서 이동되지 않는 것이 안정적인 작동을 위해 유리하나, 종래의 범프는 작업자가 조립시 축에서 돌출되게 조립할 경우 로터의 구동 안전성이 저하되는 문제점이 유발되었다.
또한 상기 범프가 돌출된 상대면에 위치된 구성품의 표면과 접촉되고 이로 인해 상대면에 마찰로 인한 변형이 발생되는 문제점이 유발되어 베어링의 불안전한 거동이 발생된다. 이로 인해 범프에 의한 편 마찰로 인해 내구성이 저하되고 안전성 측면에서 불리한 문제점이 유발되었다.
한국특허등록 제1396889호(등록일: 2015. 05. 13)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 로터의 축 방향에서 범프 포일이 이동하지 않도록 하고, 냉각 효과도 동시에 도모하기 위한 에어포일 베어링 및 이를 포함하는 공기압축기를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시 예에 의한 에어포일 베어링은 로터(10)를 기준으로 외측에 설치되고 키(302)에 양단부가 삽입되는 에어 포일 베어링에 있어서, 상기 로터(10)를 동심원으로 외측에 위치되는 탑 포일(100); 및 상기 탑 포일(100)을 감싸며 외측에 위치되고 길이 방향 양 단부에 상기 키(302)의 상대면과 각각 서로 다른 방향에서 마주보는 절곡부(205)를 갖는 범프 포일(200)을 포함한다.
상기 범프 포일(200)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제1 절곡부(205a)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된 제1 범프 포일(210); 상기 제1 범프 코일(210)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되고, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제2 절곡부(205b)가 형성된 제2 범프 포일(220); 상기 제1 범프 포일(210)과 마주보는 상기 제2 범프 포일(220) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 구비된 복수개의 브릿지(230)을 포함한다.
상기 제1 범프 포일(210)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드진 제1 라운드 부(211)를 더 포함한다.
상기 제2 범프 포일(220)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드진 제2 라운드 부(221)를 더 포함한다.
상기 제1 절곡부(205a)와 상기 제2 절곡부(205b)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 배치된다.
상기 제1 절곡부(205a)는 상기 제1 범프 포일(210)의 폭과 대응되는 폭으로 형성된다.
상기 제2 절곡부(205b)는 상기 제2 범프 포일(220)의 폭과 대응되는 폭으로 형성된다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 85도 내지 90도 각도 중의 임의의 각도로 절곡된 것을 특징으로 한다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 90도 내지 95도 각도 중의 임의의 각도로 절곡된 것을 특징으로 한다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 직각으로 절곡된 것을 특징으로 한다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 동일 각도로 절곡된 것을 특징으로 한다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 길이 방향으로 연장된 구간 보다 두꺼운 두께가 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 표면이 아노다이징(Ano-dizing) 처리가 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 표면이 소정의 두께로 코팅층(221a, 222a)이 형성되고, 상기 코팅층(221a, 222a)은 표면 거칠기(surface roughness) 처리가 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 브릿지(230)는 동일 간격으로 서로 이격된다.
상기 브릿지(230)는 상기 키(302)를 기준으로 120도 간격으로 서로 이격된다.
상기 탑 포일(100)과 범프 포일(200) 사이에 위치되는 미들 포일(400)을 더 포함한다.
상기 미들 포일(400)의 내측에 삽입되고 상기 미들 포일(400)의 전체 직경 보다 1/2작은 직경을 갖는 하프 미들 포일(500)을 더 포함한다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 마주보는 상대면과 면 마찰이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 실시 예는 범프 포일(200)을 갖는 에어포일 베어링이 설치된 연료전지 자동차에 사용할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 의한 에어포일 베어링은 로터(10)를 기준으로 외측에 설치되고 키(302)에 양단부가 삽입되는 에어 포일 베어링에 있어서, 상기 로터(10)를 동심원으로 외측에 위치되는 탑 포일(100); 및 상기 탑 포일(100)을 감싸며 외측에 위치되고 길이 방향 양 단부에 상기 키(302)의 상대면과 각각 서로 다른 방향에서 마주보는 절곡부(2010)를 갖는 범프 포일(2000)을 포함하되, 상기 범프 포일(2000)은 상기 탑 포일(100)을 외측에서 감싸는 어퍼 범프 포일(Upper bump foil)(2100)과, 상기 어퍼 범프 포일(Upper bump foil)(2100)을 외측에서 감싸는 로워 범프 포일(Lower bump foil)(2200)을 포함한다.
상기 어퍼 범프 포일(Upper bump foil)(2100)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제1 절곡부(2012)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된 제1 범프 포일(2100a); 상기 제1 범프 포일(2100a)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되고, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제2 절곡부(2014)가 형성된 제2 범프 포일(2100b); 상기 제1 범프 포일(2100a)과 마주보는 상기 제2 범프 포일(2200b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 구비된 복수개의 제1 브릿지(2300)을 포함한다.
상기 로워 범프 포일(Lower bump foil)(2200)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제3 절곡부(2412)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된 제3 범프 포일(2400a); 상기 제3 범프 포일(2400a)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되며, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제4 절곡부(2414)가 형성된 제4 범프 포일(2400b); 상기 제3 범프 포일(2400a)과 마주보는 상기 제4 범프 포일(2400b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 구비된 복수개의 제2 브릿지(2500)을 포함한다.
상기 제1 절곡부(2012)와 상기 제2 절곡부(2014)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 배치된다.
상기 제3 절곡부(2412)와 상기 제4 절곡부(2214)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 배치된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 공기압축기는 전술한 바와 같은 에어포일 베어링; 상기 에어포일 베어링 내부에 배치되어 회전하는 로터; 및 상기 로터 일측에 형성되어 공기를 압축하는 임펠러를 포함한다.
본 실시 예에 의한 에어 포일 베어링은 로터의 고속 회전으로 인한 축 방향으로 범프 포일이 이동되거나 돌출는 현상을 최소화 할 수 있고, 공기막 손실을 예방할 수 있어 상기 로터에 대한 하중지지 능력이 향상된다.
본 발명의 실시 예들은 범프 포일의 마찰력이 일정하게 유지될 수 있고, 에어오일 베어링의 안정성이 향상되므로 외력에 의한 댐핑 능력이 일정하게 유지되고 항시 일정한 두께의 공기막을 형성할 수 있어 상기 공기막의 안전성이 향상된다.
도 1은 본 발명에 의한 에어포일 베어링이 설치된 공기 압축기를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 에어 포일 베어링의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 에어 포일 베어링에 구비된 범프 포일의 평면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 탑 포일이 키 홈에 삽입된 상태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 에어 포일 베어링의 정면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 에어 포일 베어링의 배면도.
도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 코팅층이 형성된 범프 포일을 도시한 사시도.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 에어 포일 베어링을 도시한 분해 사시도.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 구비된 범프 포일의 평면도.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 에어 포일 베어링의 정면도.
도 11은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 에어 포일 베어링의 배면도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 에어포일 베어링이 설치된 공기 압축기를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 에어 포일 베어링의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 에어 포일 베어링에 구비된 범프 포일의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 탑 포일이 키 홈에 삽입된 상태를 도시한 도면이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 에어포일 베어링(1)은 고속으로 회전하는 회전축이 구비된 기계장치에 설치된다. 본 실시 예에서는 공기 압축기에 장착된 블로어 모터의 회전축(65)을 지지하는데 에어 포일 베어링(1)이 설치된 것을 예로 들어 설명하고자 한다(그러나 이러한 설명은 하나의 실시 예일 뿐, 회전하는 축을 가진 기계장치 어디에 적용되어도 무방하다).
차량용 공기 압축기는 외관을 형성하는 하우징(H)과, 상기 하우징(H)의 전방에 결합되어 공기를 압축하는 임펠러(40)와, 상기 임펠러(40)를 수용하는 임펠러 하우징(30)과, 하우징(H)의 후방에 결합되는 리어 커버(50)와, 하우징(H)의 내부에 설치되어 임펠러(40)를 회전 구동시키는 블로어 모터(60)를 포함하여 구성된다.
임펠러 하우징(30)의 전방 중앙에는 외부 공기가 유입되는 공기 유입구(31)가 형성되고, 전방 양측에는 공기 토출구(33)가 형성된다. 임펠러(40)는 임펠러 하우징(30)의 내부에 설치되며, 임펠러(40)를 관통하는 중공에 후술할 블로어 모터(60)의 회전축(65)이 결합된다.
즉 임펠러(40)는 회전축(65)에 의해 지지되고, 상기 임펠러(40)에 의해 공기 유입구(31)를 통해 흡입된 공기는 임펠러(40)에 의해 압축되어 공기 토출구(33)로 배출된다.
블로어 모터(60)는 하우징(H)의 내측에 삽입된 모터 하우징(60a)에 삽입된다. 블로어 모터(60)는 모터 하우징(60a)의 내주면에 인접하게 설치되며 중공(번호 미표기)을 갖는 스테이터(63)와, 상기 스테이터(63)의 중공을 관통하여 설치되는 회전축(65)과, 상기 회전축(65)의 외주면에 결합되는 로터(10)로 구성된다.
회전축(65)은 일단이 임펠러(40)의 중공에 결합된 상태에서 임펠러(40)의 후방에 설치되는 트러스트 베어링(thrust bearing) 및 저널 베어링(75)에 의해 하우징(H)의 내측에 회전 가능하게 지지되고, 후방 단부 역시 후방베어링(80)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
첨부된 도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 의한 에어포일 베어링(1)은 로터(10)를 기준으로 외측에 설치되고 키(302)에 양단부가 삽입되는 에어 포일 베어링에 있어서, 상기 로터(10)를 동심원으로 외측에 위치되는 탑 포일(100) 및 상기 탑 포일(100)을 감싸며 외측에 위치되고 길이 방향 양 단부에 상기 키(302)의 상대면과 각각 서로 다른 방향에서 마주보는 절곡부(205)를 갖는 범프 포일(200)을 포함한다.
참고로 상기 키 홈(310)은 베어링 하우징(300)에 형성되고, 상기 키 홈(310)에 키(302)가 형성되며, 상기 베어링 하우징(300)의 내부 중앙에 로터(10)가 위치된다.
특히 본 실시 예는 범프 포일(200)이 로터(10)의 축 방향으로 돌출되지 않고 키 홈(310)의 위치에 정 위치 되도록 절곡부(205)를 각기 서로 다른 방향에서 마주보게 구성하고, 상기 절곡부(205)와 직접적으로 접촉되는 상대면과의 마찰에 의해 로터(10)의 축 방향으로 이동되는 현상을 예방할 수 있다.
이를 위해 본 실시 예에 의한 범프 포일(200)은 제1 범프 포일(210)과 제2 범프 포일(220) 및 브릿지(230)를 포함하여 구성된다.
상기 제1 범프 포일(210)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제1 절곡부(205a)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된다. 도면 기준으로 상기 제1 절곡부(205a)는 좌측에 위치되고 후술할 제2 절곡부(205b)는 우측에 위치되나 상기 위치로 반드시 한정하지는 않는다.
상기 제1 절곡부(205a)는 키(302)의 높이에 해당되는 길이로 연장되며 상기 키(302)의 전체 길이 중 1/2길이에 해당되는 길이로 연장된다.
상기 제1 절곡부(205a)는 상기 제1 범프 포일(210)의 폭과 대응되는 폭으로 형성되므로 제2 범프 포일(220)과 중첩되거나 서로 간섭되지 않는다.
상기 제1 범프 포일(210)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드 진 제1 라운드 부(211)를 더 포함한다. 상기 제1 라운드 부(211)는 길이 방향 또는 반경 방향에서 발생되는 외력을 안정적으로 댐핑하기 위해 형성된다.
제1 라운드 부(211)는 동일한 반경과 곡률로 구성되므로 어느 방향에서 외력이 가해지는 경우에도 이를 안정적으로 댐핑시켜 진동 및 충격 발생을 최소화 할 수 있다.
상기 제2 범프 포일(220)은 상기 제1 범프 포일(210)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되고, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제2 절곡부(205b)가 형성된다.
상기 제2 절곡부(205b)는 제1 절곡부(205a)와 동일한 길이로 연장되고, 일 예로 상기 키(302)의 높이에 해당되는 길이로 연장된다. 또한 상기 키(302)의 전체 길이 중 1/2길이에 해당되는 길이로 연장된다.
제1 절곡부(205a)와 제2 절곡부(205b)는 키(302)를 기준으로 상기 제1 절곡부(205a)가 좌측면 후방에 밀착되고, 상기 제2 절곡부(205b)가 우측면 전방에 밀착된다.
이 경우 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 서로 다른 방향을 향해 면접촉된 상태가 유지된다. 종래에는 범프 포일이 키(302)의 일측면에만 밀착되므로 축 방향 또는 반경 방향에서 외력이 가해질 경우 키(302)의 일측면에서만 고정력이 발생되고 마주보는 타측면에서는 고정력이 발생되지 않는 현상이 유발되었다.
본 발명은 이러한 문제점을 예방하기 위해 키(302)의 좌측면과 우측면에 각각 제1,2 절곡부(205a, 205b)가 밀착되므로 불특정 방향에서 가해진 외력에 의해 로터(10)의 축 방향으로 이동되지 않고 최초 설치된 위치에 정 위치된 상태가 유지된다.
따라서 상기 에어 포일 베어링(1)은 로터(10)의 작동 유뮤와 상관없이 진동 및 충격 발생이 최소화 되며 상기 범프 포일(200)이 로터(10)의 축 방향에서 이동되는 현상을 사전에 예방할 수 있다.
상기 제2 범프 포일(220)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드 진 제2 라운드 부(221)를 더 포함한다. 상기 제2 라운드 부(221)는 길이 방향 또는 반경 방향에서 발생되는 외력을 안정적으로 댐핑하기 위해 형성된다.
제2 라운드 부(221)는 동일한 반경과 곡률로 구성되므로 어느 방향에서 외력이 가해지는 경우에도 이를 안정적으로 댐핑시켜 진동 및 충격 발생을 최소화 할 수 있다.
상기 제2 절곡부(205b)는 상기 제2 범프 포일(220)의 폭과 대응되는 폭으로 형성되므로 상기 제1 범프 포일(210)과 중첩되거나 서로 간섭되지 않는다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 85도 내지 90도 각도 중의 임의의 각도로 절곡되는데, 상기 각도는 키(302) 또는 마주보는 상대면과의 접촉에 따른 밀착력이 장기간 안정적으로 유지되도록 하기 위해 전술한 각도로 구성된다.
예를 들어 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 직각인 90도로 절곡될 경우 상대면에 밀착되는 밀착력이 강하게 유지되므로 마찰력 또한 향상될 수 있다.
예를 들어 제1,2 절곡부(205a, 205b)가 85도로 절곡될 경우 에도 상대면과의 밀착력은 안정적으로 유지되고 마찰력 또한 직각으로 절곡된 경우와 비교해도 감소되지 않으므로 다양한 사양에 따라 특정 각도로 구성될 수 있다.
전술한 실시 예와 다르게 상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 90도 내지 95도 각도 중의 임의의 각도로 절곡될 수 있다. 상기 각도는 90도 또는 그 이상의 각도로 절곡되는 경우에 해당되는데 이 경우 상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)가 직접적으로 접촉되는 상대면과의 마찰력이 전술한 각도의 조건보다 증가될 수 있다.
본 실시 예에 의한 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 직각으로 절곡될 수 있으며 상기 각도가 대부분의 에어포일 베어링(1)에 설치되는 범프 포일(200)의 일반적인 각도에 해당되므로 상기 각도로 구성된다.
본 실시 예에 의한 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 동일 각도로 절곡되므로 상기 키(302)를 향해 동일한 면압이 가해진다. 이 경우 로터(10)의 축 방향에서 발생되는 외력에 의해 상기 제1 절곡부(205a) 또는 제2 절곡부(205b) 중의 어느 하나가 축 방향으로 이동되지 않아 일정한 마찰력이 유지될 수 있다.
따라서 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 동일 각도로 절곡되는 것이 바람직하다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 길이 방향으로 연장된 구간 보다 두꺼운 두께가 유지될 수 있다. 예를 들어 길이 방향의 두께를 t라 가정할 때 상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 1.5t의 두께로 구성될 수 있다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)가 전술한 두께로 구성될 경우 외력이 직접 또는 간접적으로 전달되는 경우에도 떨림 또는 진동 발생의 현상이 감소될 수 있어 소음 감소 측면에서 유리해진다.
상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 표면이 아노다이징(Ano-dizing) 처리가 이루어진다.
아노다이징이란 알루미늄 부품을 전해액에서 양극으로 하고 전기화학적 방법에 의해 산화 알루미늄(Al2O3)의 피막을 생성하는 방법을 말한다. 상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)에 아노다이징 처리가 이루어지는 이유는 에어포일 베어링(1)이 설치된 조건에서 짧은 주기를 갖는 진동 및 충격이 지속적으로 전달될 경우 발생되는 경도 저하를 예방하기 위해서이다.
상기 범프 포일(200)은 알루미늄이 재료로 사용될 수 있는데 다른 금속이 사용되는 것도 가능하며, 제1,2 절곡부(205a, 205b)에 아노다이징 처리가 이루어질 경우 피막의 강성과 경도가 증가하고, 내식성이 증가되므로 장기간 에어 포일 베어링(1)에 설치하여 사용하는 경우 열로 인한 변형 또는 마찰로 인한 변형에 유리해진다.
본 실시 예에 의한 브릿지(230)는 상기 제1 범프 포일(210)과 마주보는 상기 제2 범프 포일(220) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 복수개로 구성된다.
브릿지(230)는 동일 간격으로 복수개가 서로 이격되고, 개수는 최소 2개 이상으로 구성된다. 상기 브릿지(230)는 제1,2 범프 포일(210, 220)에 가해지는 외력으로 원주 방향 또는 로터(10)의 축 방향에서 발생되는 이동을 최소화 할 수 있다.
또한 상기 제1,2 범프 포일(210, 220)의 개별적인 이동을 구속하여 범프 포일(200)의 최초 설치 형태를 안정적으로 유지할 수 있다.
따라서 상기 제1,2 범프 포일(210, 220)은 원주 방향에서 링 형태가 안정적으로 유지되고, 이웃한 탑 포일(100)과의 이격 간격이 원주 방향의 전 구간에서 일정하게 유지된다.
브릿지(230)는 상기 키(302)를 기준으로 120도 간격으로 서로 이격된다. 상기 간격은 범프 포일(200)이 로터(10)의 외측을 감싸는 링 형태로 설치될 경우 시계 방향을 기준으로 4시와 6시 위치에 해당될 수 있다.
전술한 위치에 브릿지(230)가 배치될 경우 탑 포일(100) 또는 미들 포일(400)과의 이격된 간격이 원주 방향에서 일정하게 유지될 수 있다. 또한 에어 포일 베어링(1)이 설치된 이후에 냉각 공기가 전술한 간격으로 안정적으로 이동 가능하므로 마찰에 따라 발생하는 열의 배출이 용이하게 이루어질 수 있다.
브릿지(230)는 제1,2 절곡부(205a, 205b)가 위치된 곳에는 구비되지 않고, 상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)로부터 이격된 위치에 구비된다. 상기 위치에 브릿지(230)가 위치되는 이유는 제1,2 범프 포일(210, 220)이 링 형태로 탑 포일(100)을 외측에서 감싸며 베어링 하우징(300)의 내측에 설치될 때 반경 방향에서 댐핑 효과를 안정적으로 유지하기 위해서이다.
또한 브릿지(230)가 한 개로 구성되는 것 보다는 동일 간격으로 복수개가 각각 이격될 경우 제1,2 범프 포일(210, 220)로 구성된 범프 포일(200)의 원주 방향에서 서로 간에 연결된 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
상기 탑 포일(100)과 범프 포일(200) 사이에 위치되는 미들 포일(400)을 더 포함한다. 상기 미들 포일(400)은 탑 포일(100) 대비 직경만 상이하고 형태는 유사하게 구성된다.
상기 미들 포일(400)의 내측에 삽입되고 상기 미들 포일(400)의 전체 직경 보다 1/2작은 직경을 갖는 하프 미들 포일(500)을 더 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이 상기 하프 미들 포일(500)은 미들 포일(400)의 내측에 위치되고 원주 방향에서 공기막을 형성하기 위해 소정의 간격으로 이격되어 위치된다.
본 실시 예는 범프 포일(200)을 갖는 에어포일 베어링이 설치된 연료전지 자동차에 사용할 수 있다.
첨부된 도 6을 참조하면, 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 표면이 소정의 두께로 코팅층(221a, 222a)이 형성되고, 상기 코팅층(221a, 222a)은 표면 거칠기(surface roughness) 처리가 이루어진다.
상기 코팅층(221a, 222a)은 키(302)와 마주보는 상대면에만 형성되는 것이 마찰에 따른 축 방향 이동을 최소화 하는데 유리할 수 있다. 상기 코팅층(221a, 222a)은 표면 거칠기가 특정 치수로 형성되는데 특별히 한정하지는 않으나 이동 변위가 최소화되도록 실험을 통해 정의된다.
본 발명의 제2 실시 예에 의한 에어포일 베어링에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 8 내지 도 11을 참조하면, 본 실시 예에 의한 에어포일 베어링(1a)은 로터(10)를 기준으로 외측에 설치되고 키(302)에 양단부가 삽입되는 에어 포일 베어링에 있어서, 상기 로터(10)를 동심원으로 외측에 위치되는 탑 포일(100) 및 상기 탑 포일(100)을 감싸며 외측에 위치되고 길이 방향 양 단부에 상기 키(302)의 상대면과 각각 서로 다른 방향에서 마주보는 절곡부(2010)를 갖는 범프 포일(2000)을 포함한다.
참고로 상기 키 홈(310)은 베어링 하우징(300)에 형성되고, 상기 키 홈(310)에 키(302)가 형성되며, 상기 베어링 하우징(300)의 내부 중앙에 로터(10)가 위치된다.
그리고 상기 범프 포일(2000)은 상기 탑 포일(100)을 외측에서 감싸는 어퍼 범프 포일(Upper bump foil)(2100)과, 상기 어퍼 범프 포일(Upper bump foil)(2100)을 외측에서 감싸는 로워 범프 포일(Lower bump foil)(2400)을 포함한다.
본 실시 예는 전술한 제1 실시 예에 구비된 범프 포일(200)과 다르게 상기 범프 포일(2000)이 복수개로 구성된다. 일 예로 어퍼 범프 포일(2100)과 로워 범프 포일(2200)로 구성될 수 있는데 이와 같이 복수개로 구성하는 이유는 로터(10)의 고속 회전이 이루어지는 조건에서 안정적인 댐핑과 강성을 보강하여 에어포일 베어링(1a)의 안정적인 작동을 도모하기 위해서이다.
이를 위해 본 실시 예에 의한 어퍼 범프 포일(Upper bump foil)(2100)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제1 절곡부(2012)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된 제1 범프 포일(2100a)과, 상기 제1 범프 포일(2100a)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되고, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제2 절곡부(2014)가 형성된 제2 범프 포일(2100b)과, 상기 제1 범프 포일(2100a)과 마주보는 상기 제2 범프 포일(2200b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 구비된 복수개의 제1 브릿지(2300)을 포함한다.
상기 제1 범프 포일(2100a)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제1 절곡부(2012)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된다. 도면 기준으로 상기 제1 절곡부(2012)는 좌측에 위치되고 후술할 제2 절곡부(2014)는 우측에 위치되나 상기 위치로 반드시 한정하지는 않는다.
상기 제1 절곡부(2012)는 키(302)의 높이에 해당되는 길이로 연장되며 상기 키(302)의 전체 길이 중 1/2길이에 해당되는 길이로 연장된다.
상기 제1 절곡부(2012)는 상기 제1 범프 포일(2100a)의 폭과 대응되는 폭으로 형성되므로 제2 범프 포일(2200b)과 중첩되거나 서로 간섭되지 않는다.
상기 제1 범프 포일(2100a)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드 진 제1 라운드 부(2011)을 더 포함한다. 상기 제1 라운드 부(2011)은 길이 방향 또는 반경 방향에서 발생되는 외력을 안정적으로 댐핑하기 위해 형성된다.
제1 라운드 부(2011)은 동일한 반경과 곡률로 구성되므로 어느 방향에서 외력이 가해지는 경우에도 이를 안정적으로 댐핑시켜 진동 및 충격 발생을 최소화 할 수 있다.
상기 제2 범프 포일(2200b)은 상기 제1 범프 포일(2100a)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되며, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제2 절곡부(2014)가 형성된다.
상기 제2 절곡부(2014)는 제1 절곡부(2012)와 동일한 길이로 연장되고, 일 예로 상기 키(302)의 높이에 해당되는 길이로 연장된다. 또한 상기 키(302)의 전체 길이 중 1/2길이에 해당되는 길이로 연장된다.
제1 절곡부(2012)와 제2 절곡부(2014)는 키(302)를 기준으로 상기 제1 절곡부(2012)가 좌측면 후방에 밀착되고, 상기 제2 절곡부(2014)가 우측면 전방에 밀착된다.
이 경우 제1,2 절곡부(2012, 2014)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 서로 다른 방향을 향해 면접촉된 상태가 유지된다. 종래에는 범프 포일이 키(302)의 일측면에만 밀착되므로 축 방향 또는 반경 방향에서 외력이 가해질 경우 키(302)의 일측면에서만 고정력이 발생되고 마주보는 타측면에서는 고정력이 발생되지 않는 현상이 유발되었다.
본 발명은 이러한 문제점을 예방하기 위해 키(302)의 좌측면과 우측면에 각각 제1,2 절곡부(2012, 2014)가 밀착되므로 불특정 방향에서 가해진 외력에 의해 로터(10)의 축 방향으로 이동되지 않고 최초 설치된 위치에 정 위치된 상태가 유지된다.
따라서 상기 에어 포일 베어링(1a)은 로터(10)의 작동 유뮤와 상관없이 진동 및 충격 발생이 최소화 되며 상기 범프 포일(2000)이 로터(10)의 축 방향에서 이동되는 현상을 사전에 예방할 수 있다.
상기 제2 범프 포일(2200b)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드 진 제2 라운드 부(2013)를 더 포함한다. 상기 제2 라운드 부(2013)는 길이 방향 또는 반경 방향에서 발생되는 외력을 안정적으로 댐핑하기 위해 형성된다.
제2 라운드 부(2013)는 동일한 반경과 곡률로 구성되므로 어느 방향에서 외력이 가해지는 경우에도 이를 안정적으로 댐핑시켜 진동 및 충격 발생을 최소화 할 수 있다.
상기 제2 절곡부(2014)는 상기 제2 범프 포일(2200b)의 폭과 대응되는 폭으로 형성되므로 상기 제1 범프 포일(2100a)과 중첩되거나 서로 간섭되지 않는다.
본 실시 예에 의한 제1 브릿지(2300)는 상기 제1 범프 포일(2100a)과 마주보는 상기 제2 범프 포일(2200b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 복수개로 구성된다.
본 실시 예에 의한 제1,2 절곡부(2012, 2014)는 직각으로 절곡될 수 있으며 상기 각도가 대부분의 에어포일 베어링(1a)에 설치되는 범프 포일(2000)의 일반적인 각도에 해당되므로 상기 각도로 구성된다.
본 실시 예에 의한 제1,2 절곡부(2012, 2014)는 동일 각도로 절곡되므로 상기 키(302)를 향해 동일한 면압이 가해진다. 이 경우 로터(10)의 축 방향에서 발생되는 외력에 의해 상기 제1 절곡부(2012) 또는 제2 절곡부(2014) 중의 어느 하나가 축 방향으로 이동되지 않아 일정한 마찰력이 유지될 수 있다.
따라서 제1,2 절곡부(2012, 2014)는 동일 각도로 절곡되는 것이 바람직하다.
상기 제1,2 절곡부(2012, 2014)는 길이 방향으로 연장된 구간 보다 두꺼운 두께가 유지될 수 있다. 예를 들어 길이 방향의 두께를 t라 가정할 때 상기 제1,2 절곡부(2012, 2014)는 1.5t의 두께로 구성될 수 있다.
상기 제1,2 절곡부(2012, 2014)가 전술한 두께로 구성될 경우 외력이 직접 또는 간접적으로 전달되는 경우에도 떨림 또는 진동 발생의 현상이 감소될 수 있어 소음 감소 측면에서 유리해진다.
상기 제1,2 절곡부(2012, 2014)는 표면이 아노다이징(Ano-dizing) 처리가 이루어진다.
아노다이징이란 알루미늄 부품을 전해액에서 양극으로 하고 전기화학적 방법에 의해 산화 알루미늄(Al2O3)의 피막을 생성하는 방법을 말한다. 상기 제1,2 절곡부(2012, 2014)에 아노다이징 처리가 이루어지는 이유는 에어포일 베어링(1)이 설치된 조건에서 짧은 주기를 갖는 진동 및 충격이 지속적으로 전달될 경우 발생되는 경도 저하를 예방하기 위해서이다.
상기 어퍼 범프 포일(2100)은 알루미늄이 재료로 사용될 수 있는데 다른 금속이 사용되는 것도 가능하며, 제1,2 절곡부(2012, 2014)에 아노다이징 처리가 이루어질 경우 피막의 강성과 경도가 증가하고, 내식성이 증가되므로 장기간 에어 포일 베어링(1)에 설치하여 사용하는 경우 열로 인한 변형 또는 마찰로 인한 변형에 유리해진다.
본 실시 예에 의한 제1 브릿지(2300)는 상기 제1 범프 포일(2100a)과 마주보는 상기 제2 범프 포일(2200b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 복수개로 구성된다.
제1 브릿지(2300)는 동일 간격으로 복수개가 서로 이격되고, 개수는 최소 2개 이상으로 구성된다. 상기 제1 브릿지(2300)는 제1,2 범프 포일(2100a, 2200b)에 가해지는 외력으로 원주 방향 또는 로터(10)의 축 방향에서 발생되는 이동을 최소화 할 수 있다.
또한 상기 제1,2 범프 포일(2100a, 2200b)의 개별적인 이동을 구속하여 범프 포일(2000)의 최초 설치 형태를 안정적으로 유지할 수 있다.
따라서 상기 제1,2 범프 포일(2100a, 2200b)은 원주 방향에서 링 형태가 안정적으로 유지되고, 이웃한 탑 포일(100)과의 이격 간격이 원주 방향의 전 구간에서 일정하게 유지된다.
상기 제1 브릿지(2300)는 상기 키(302)를 기준으로 120도 간격으로 서로 이격된다. 상기 간격은 범프 포일(2000)이 로터(10)의 외측을 감싸는 링 형태로 설치될 경우 시계 방향을 기준으로 4시와 6시 위치에 해당될 수 있다.
전술한 위치에 제1 브릿지(2300)가 배치될 경우 탑 포일(100) 또는 미들 포일(400)과의 이격된 간격이 원주 방향에서 일정하게 유지될 수 있다. 또한 에어 포일 베어링(1a)이 설치된 이후에 냉각 공기가 전술한 간격으로 안정적으로 이동 가능하므로 마찰에 따라 발생하는 열의 배출이 용이하게 이루어질 수 있다.
제1 브릿지(2300)는 제1,2 절곡부(2012, 2014)가 위치된 곳에는 구비되지 않고, 상기 제1,2 절곡부(2012, 2014)로부터 이격된 위치에 구비된다.
상기 위치에 제1 브릿지(2300)가 위치되는 이유는 제1,2 범프 포일(2100a, 2200b)이 링 형태로 탑 포일(100)을 외측에서 감싸며 베어링 하우징(300)의 내측에 설치될 때 반경 방향에서 댐핑 효과를 안정적으로 유지하기 위해서이다.
또한 제1 브릿지(2300)가 한 개로 구성되는 것 보다는 동일 간격으로 복수개가 각각 이격될 경우 제1,2 범프 포일(2100a, 2200b)로 구성된 범프 포일(2000)의 원주 방향에서 서로 간에 연결된 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
본 실시 예에 의한 로워 범프 포일(Lower bump foil)(2200)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제3 절곡부(2412)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된 제3 범프 포일(2400a)과, 상기 제3 범프 포일(2400a)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되며, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제4 절곡부(2414)가 형성된 제4 범프 포일(2400b)과, 상기 제3 범프 포일(2400a)과 마주보는 상기 제4 범프 포일(2400b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 구비된 복수개의 제2 브릿지(2500)을 포함한다.
상기 제3 범프 포일(2400a)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제3 절곡부(2412)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된다. 도면 기준으로 상기 제3 절곡부(2412)는 좌측에 위치되고 후술할 제4 절곡부(2014)는 우측에 위치되나 상기 위치로 반드시 한정하지는 않는다.
상기 제3 절곡부(2412)는 키(302)의 높이에 해당되는 길이로 연장되며 상기 키(302)의 전체 길이 중 1/2길이에 해당되는 길이로 연장된다.
상기 제3 절곡부(2412)는 상기 제3 범프 포일(2400a)의 폭과 대응되는 폭으로 형성되므로 제4 범프 포일(2400b)과 중첩되거나 서로 간섭되지 않는다.
상기 제3 범프 포일(2400a)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드 진 제3 라운드 부(2411)을 더 포함한다. 상기 제3 라운드 부(2411)은 길이 방향 또는 반경 방향에서 발생되는 외력을 안정적으로 댐핑하기 위해 형성된다.
제3 라운드 부(2411)은 동일한 반경과 곡률로 구성되므로 어느 방향에서 외력이 가해지는 경우에도 이를 안정적으로 댐핑시켜 진동 및 충격 발생을 최소화 할 수 있다.
상기 제4 범프 포일(2400b)은 상기 제3 범프 포일(2400a)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되며, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제4 절곡부(2014)가 형성된다.
상기 제4 절곡부(2014)는 제3 절곡부(2412)와 동일한 길이로 연장되고, 일 예로 상기 키(302)의 높이에 해당되는 길이로 연장된다. 또한 상기 키(302)의 전체 길이 중 1/2길이에 해당되는 길이로 연장된다.
제3 절곡부(2412)와 제4 절곡부(2014)는 키(302)를 기준으로 상기 제3 절곡부(2412)가 좌측면 후방에 밀착되고, 상기 제4 절곡부(2014)가 우측면 전방에 밀착된다.
이 경우 제3,4 절곡부(2412, 2414)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 서로 다른 방향을 향해 면접촉된 상태가 유지된다. 종래에는 범프 포일이 키(302)의 일측면에만 밀착되므로 축 방향 또는 반경 방향에서 외력이 가해질 경우 키(302)의 일측면에서만 고정력이 발생되고 마주보는 타측면에서는 고정력이 발생되지 않는 현상이 유발되었다.
본 발명은 이러한 문제점을 예방하기 위해 키(302)의 좌측면과 우측면에 각각 제3,4 절곡부(2412, 2414)가 밀착되므로 불특정 방향에서 가해진 외력에 의해 로터(10)의 축 방향으로 이동되지 않고 최초 설치된 위치에 정 위치된 상태가 유지된다.
따라서 상기 에어 포일 베어링(1a)은 로터(10)의 작동 유뮤와 상관없이 진동 및 충격 발생이 최소화 되며 상기 로워 범프 포일(2400)이 로터(10)의 축 방향에서 이동되는 현상을 사전에 예방할 수 있다.
상기 제4 범프 포일(2400b)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드 진 제2 라운드 부(2413)를 더 포함한다. 상기 제2 라운드 부(2413)는 길이 방향 또는 반경 방향에서 발생되는 외력을 안정적으로 댐핑하기 위해 형성된다.
제2 라운드 부(2413)는 동일한 반경과 곡률로 구성되므로 어느 방향에서 외력이 가해지는 경우에도 이를 안정적으로 댐핑시켜 진동 및 충격 발생을 최소화 할 수 있다.
상기 제4 절곡부(2014)는 상기 제4 범프 포일(2400b)의 폭과 대응되는 폭으로 형성되므로 상기 제3 범프 포일(2400a)과 중첩되거나 서로 간섭되지 않는다.
본 실시 예에 의한 제2 브릿지(2500)는 상기 제3 범프 포일(2400a)과 마주보는 상기 제4 범프 포일(2400b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 복수개로 구성된다.
본 실시 예에 의한 제3,4 절곡부(2412, 2414)는 직각으로 절곡될 수 있으며 상기 각도가 대부분의 에어포일 베어링(1a)에 설치되는 로워 범프 포일(2400)의 일반적인 각도에 해당되므로 상기 각도로 구성된다.
본 실시 예에 의한 제3,4 절곡부(2412, 2414)는 동일 각도로 절곡되므로 상기 키(302)를 향해 동일한 면압이 가해진다. 이 경우 로터(10)의 축 방향에서 발생되는 외력에 의해 상기 제3 절곡부(2412) 또는 제4 절곡부(2014) 중의 어느 하나가 축 방향으로 이동되지 않아 일정한 마찰력이 유지될 수 있다.
따라서 제3,4 절곡부(2412, 2414)는 동일 각도로 절곡되는 것이 바람직하다.
상기 제3,4 절곡부(2412, 2414)는 길이 방향으로 연장된 구간 보다 두꺼운 두께가 유지될 수 있다. 예를 들어 길이 방향의 두께를 t라 가정할 때 상기 제3,4 절곡부(2412, 2414)는 1.5t의 두께로 구성될 수 있다.
상기 제3,4 절곡부(2412, 2414)가 전술한 두께로 구성될 경우 외력이 직접 또는 간접적으로 전달되는 경우에도 떨림 또는 진동 발생의 현상이 감소될 수 있어 소음 감소 측면에서 유리해진다.
상기 제3,4 절곡부(2412, 2414)는 표면이 아노다이징(Ano-dizing) 처리가 이루어진다.
아노다이징이란 알루미늄 부품을 전해액에서 양극으로 하고 전기화학적 방법에 의해 산화 알루미늄(Al2O3)의 피막을 생성하는 방법을 말한다. 상기 제3,4 절곡부(2412, 2414)에 아노다이징 처리가 이루어지는 이유는 에어포일 베어링(1a)이 설치된 조건에서 짧은 주기를 갖는 진동 및 충격이 지속적으로 전달될 경우 발생되는 경도 저하를 예방하기 위해서이다.
상기 로워 범프 포일(2400)은 알루미늄이 재료로 사용될 수 있는데 다른 금속이 사용되는 것도 가능하며, 제3,4 절곡부(2412, 2414)에 아노다이징 처리가 이루어질 경우 피막의 강성과 경도가 증가하고, 내식성이 증가되므로 장기간 에어 포일 베어링(1a)에 설치하여 사용하는 경우 열로 인한 변형 또는 마찰로 인한 변형에 유리해진다.
본 실시 예에 의한 제2 브릿지(2500)sms 상기 제3 범프 포일(2400a)과 마주보는 상기 제4 범프 포일(2400b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 복수개로 구성된다.
제2 브릿지(2500)sms 동일 간격으로 복수개가 서로 이격되고, 개수는 최소 2개 이상으로 구성된다. 상기 제2 브릿지(2500)는 제3,4 범프 포일(2400a, 2400b)에 가해지는 외력으로 원주 방향 또는 로터(10)의 축 방향에서 발생되는 이동을 최소화 할 수 있다.
또한 상기 제3,4 범프 포일(2400a, 2400b)의 개별적인 이동을 구속하여 로워 범프 포일(2400)의 최초 설치 형태를 안정적으로 유지할 수 있다.
따라서 상기 제3,4 범프 포일(2400a, 2400b)은 원주 방향에서 링 형태가 안정적으로 유지되고, 이웃한 탑 포일(100)과의 이격 간격이 원주 방향의 전 구간에서 일정하게 유지된다.
상기 제2 브릿지(2500)는 상기 키(302)를 기준으로 120도 간격으로 서로 이격된다. 상기 간격은 로워 범프 포일(2400)이 로터(10)의 외측을 감싸는 링 형태로 설치될 경우 시계 방향을 기준으로 4시와 6시 위치에 해당될 수 있다.
전술한 위치에 제2 브릿지(2500)가 배치될 경우 탑 포일(100) 또는 미들 포일(400)과의 이격된 간격이 원주 방향에서 일정하게 유지될 수 있다. 또한 에어 포일 베어링(1a)이 설치된 이후에 냉각 공기가 전술한 간격으로 안정적으로 이동 가능하므로 마찰에 따라 발생하는 열의 배출이 용이하게 이루어질 수 있다.
제2 브릿지(2500)는 제3,4 절곡부(2412, 2414)가 위치된 곳에는 구비되지 않고, 상기 제3,4 절곡부(2412, 2414)로부터 이격된 위치에 구비된다.
상기 위치에 제2 브릿지(2500)가 위치되는 이유는 제3,4 범프 포일(2400a, 2400b)이 링 형태로 탑 포일(100)을 외측에서 감싸며 베어링 하우징(300)의 내측에 설치될 때 반경 방향에서 댐핑 효과를 안정적으로 유지하기 위해서이다.
또한 제2 브릿지(2500)가 한 개로 구성되는 것 보다는 동일 간격으로 복수개가 각각 이격될 경우 제3,4 범프 포일(2400a, 2400b)로 구성된 로워 범프 포일(2400)의 원주 방향에서 서로 간에 연결된 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
상기 제3 절곡부(2412)와 상기 제4 절곡부(2214)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 배치된다.
본 실시 예는 전술한 에어포일 베어링의 내부에 배치되어 회전하는 로터가 구비되고, 상기 로터 일측에 형성되어 공기를 압축하는 임펠러를 포함하는 공기압축기에 적용되어 사용되는 것도 가능하다.
공기압축기는 전술한 에어포일 베어링의 구성을 적용시켜 작동시 발생되는 충격을 댐핑하여 안정적인 작동을 도모할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
예를 들어, 상기 실시예들에서는 키홈(310)에 범프 포일(200) 삽입시 키(302)를 함께 삽입하여 고정하는 구조를 설명하였으나, 이는 단지 실시예일 뿐이며, 키홈(310)을 좁게 형성한 후, 범프 포일(200) 만을 삽입하여 고정시킬 수도 있다.
10 :　로터
100 : 탑 포일
200, 2000 : 범프 포일
205 : 절곡부
210 : 제1 범프 포일
211 :　제1 라운드 부
210a : 제1 절곡부
210b : 제2 절곡부
220 : 제2 범프 포일
221 : 제2 라운드 부
230 : 브릿지
300 : 하우징
310 : 키 홈
302 : 키
2010 : 절곡부
2100 : 어퍼 범프 포일
2100a : 제1 범프 포일
2100b : 제2 범프 포일
2012 : 제1 절곡부
2014 : 제2 절곡부
2300 : 제1 브릿지
2400 : 로워 범프 포일
2400a : 제3 범프 포일
2400b : 제4 범프 포일
2411 : 제3 라운드 부
2412 : 제3 절곡부
2413 : 제4 라운드 부
2414 : 제4 절곡부
2500 : 제2 브릿지

Claims (25)

  1. 로터(10)를 기준으로 외측에 설치되고 키(302)에 양단부가 삽입되는 에어 포일 베어링에 있어서,
    상기 로터(10)를 동심원으로 외측에 위치되는 탑 포일(100); 및
    상기 탑 포일(100)을 감싸며 외측에 위치되고 길이 방향 양 단부에 상기 키(302)의 상대면과 각각 서로 다른 방향에서 마주보는 절곡부(205)를 갖는 범프 포일(200)을 포함하는 에어포일 베어링.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 범프 포일(200)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제1 절곡부(205a)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된 제1 범프 포일(210);
    상기 제1 범프 코일(210)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되고, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제2 절곡부(205b)가 형성된 제2 범프 포일(220);
    상기 제1 범프 포일(210)과 마주보는 상기 제2 범프 포일(220) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 구비된 복수개의 브릿지(230)을 포함하는 에어포일 베어링.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 범프 포일(210)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드진 제1 라운드 부(211)를 더 포함하는 에어포일 베어링.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 범프 포일(220)은 길이 방향을 따라 다수개가 반복적으로 라운드진 제2 라운드 부(221)를 더 포함하는 에어포일 베어링.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 절곡부(205a)와 상기 제2 절곡부(205b)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 배치된 에어포일 베어링.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 절곡부(205a)는 상기 제1 범프 포일(210)의 폭과 대응되는 폭으로 형성된 에어포일 베어링.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 절곡부(205b)는 상기 제2 범프 포일(220)의 폭과 대응되는 폭으로 형성된 에어포일 베어링.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 85도 내지 90도 각도 중의 임의의 각도로 절곡된 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 90도 내지 95도 각도 중의 임의의 각도로 절곡된 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 직각으로 절곡된 것을 에어포일 베어링.
  11. 제2 항에 있어서,
    상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 동일 각도로 절곡된 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링.
  12. 제2 항에 있어서,
    상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 길이 방향으로 연장된 구간 보다 두꺼운 두께가 유지되는 에어포일 베어링.
  13. 제2 항에 있어서,
    상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 표면이 아노다이징(Ano-dizing) 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링.
  14. 제2 항에 있어서,
    상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 표면이 소정의 두께로 코팅층(221a, 222a)이 형성되고, 상기 코팅층(221a, 222a)은 표면 거칠기(surface roughness) 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 에어포일 베어링.
  15. 제2 항에 있어서,
    상기 브릿지(230)는 동일 간격으로 서로 이격된 에어포일 베어링.
  16. 제2 항에 있어서,
    상기 브릿지(230)는 상기 키(302)를 기준으로 120도 간격으로 서로 이격된 에어포일 베어링.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 탑 포일(100)과 범프 포일(200) 사이에 위치되는 미들 포일(400)을 더 포함하는 에어포일 베어링.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 미들 포일(400)의 내측에 삽입되고 상기 미들 포일(400)의 전체 직경 보다 1/2작은 직경을 갖는 하프 미들 포일(500)을 더 포함하는 에어포일 베어링.
  19. 제1 항에 있어서,
    상기 제1,2 절곡부(205a, 205b)는 마주보는 상대면과 면 마찰이 이루어지는 에어포일 베어링.
  20. 로터(10)를 기준으로 외측에 설치되고 키(302)에 양단부가 삽입되는 에어 포일 베어링에 있어서,
    상기 로터(10)를 동심원으로 외측에 위치되는 탑 포일(100); 및
    상기 탑 포일(100)을 감싸며 외측에 위치되고 길이 방향 양 단부에 상기 키(302)의 상대면과 각각 서로 다른 방향에서 마주보는 절곡부(2010)를 갖는 범프 포일(2000)을 포함하되,
    상기 범프 포일(2000)은 상기 탑 포일(100)을 외측에서 감싸는 어퍼 범프 포일(Upper bump foil)(2100)과, 상기 어퍼 범프 포일(Upper bump foil)(2100)을 외측에서 감싸는 로워 범프 포일(Lower bump foil)(2400)을 포함하는 에어포일 베어링.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 어퍼 범프 포일(Upper bump foil)(2100)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제1 절곡부(2012)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된 제1 범프 포일(2100a);
    상기 제1 범프 포일(2100a)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되고, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제2 절곡부(2014)가 형성된 제2 범프 포일(2100b);
    상기 제1 범프 포일(21000a)과 마주보는 상기 제2 범프 포일(2200b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 구비된 복수개의 제1 브릿지(2300)을 포함하는 에어포일 베어링.
  22. 제20 항에 있어서,
    상기 로워 범프 포일(Lower bump foil)(2400)은 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부가 외측으로 절곡된 제3 절곡부(2412)가 형성되고 타측 단부는 자유단으로 연장된 제3 범프 포일(2400a);
    상기 제3 범프 포일(2400a)과 대응되는 길이로 연장되고 길이 방향을 따라 연장된 일측 단부는 자유단으로 연장되며, 타측 단부가 외측으로 절곡된 제4 절곡부(2414)가 형성된 제4 범프 포일(2400b);
    상기 제3 범프 포일(21000a)과 마주보는 상기 제4 범프 포일(2400b) 사이를 서로 간에 연결하기 위해 구비된 복수개의 제2 브릿지(2500)을 포함하는 에어포일 베어링.
  23. 제21 항에 있어서,
    상기 제1 절곡부(2012)와 상기 제2 절곡부(2014)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 배치된 에어포일 베어링.
  24. 제22 항에 있어서,
    상기 제3 절곡부(2412)와 상기 제4 절곡부(2214)는 서로 대각선 방향에서 마주보며 배치된 에어포일 베어링.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 에어포일 베어링;
    상기 에어포일 베어링 내부에 배치되어 회전하는 로터; 및
    상기 로터 일측에 형성되어 공기를 압축하는 임펠러를 포함하는 공기압축기.
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