KR101328559B1

KR101328559B1 - 축류팬

Info

Publication number: KR101328559B1
Application number: KR1020070001552A
Authority: KR
Inventors: 조경석; 박세영; 김우준
Original assignee: 한라비스테온공조 주식회사
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2027-01-05
Also published as: EP1979624A1; JP2009531578A; US20120003097A1; JP4895314B2; WO2007089081A1; CN101379300B; EP1979624A4; KR20070079905A; CN101379300A

Abstract

본 발명은 축류팬에 관한 것으로서, 최적의 클리어런스 앵글에 의하여 날개의 날개분포각을 결정하여 날개의 언이븐(Uneven) 정도를 결정함으로써, 날개의 변형 및 불균형(Unbalance)을 작게 할 수 있는 구조적인 안정성을 도모함과 아울러, 저소음을 달성할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 축류팬은, 허브(Hub, 110)와, 상기 허브의 원주에 방사상으로 배치되며 익근(122)과 익단(124) 사이의 영역에서 휨각의 방향이 교대로 바뀌는 다수의 날개(120)와; 상기 각 날개의 익단들을 일체적으로 연결하는 팬 밴드(Fan Band, 130);를 포함하여 이루어지는 축류팬에 있어서: 상기 허브의 중심(C)과, 서로 인접하는 두 날개와 상기 허브가 접하는 각 익근의 중심(C1, C2)을 지나는 두 선(L1, L2)이 이루는 각도를 날개분포각(A1)이라 하고, 상기 날개의 개수가 n일 경우에 등각분포각을 360/n이라 할 때, 상기 날개들은, 날개의 날개분포각(A1)=등각분포각±클리어런스 앵글을 만족하면서, 상기 클리어런스 앵글이 4° ~ 9°의 범위가 되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

축류팬, 클리어런스, 등각, 분포각, 소음, 저감, 풍량, 파형, 언이븐, 날개

Description

축류팬{AXIAL FLOW FAN}

도 1은, 종래 축류팬 및 쉬라우드 조립체의 일 예를 나타내는 분해 사시도이다.

도 2는, 종래 축류팬의 일부 정면도이다.

도 3은, 종래 축류팬의 다른 예를 나타내는 정면도이다.

도 4는, 코드(Chord)를 정의하기 위한 날개의 단면도이다.

도 5는, 종래 축류팬의 또 다른 예를 나타내는 사시도이다.

도 6은, 도 5에 도시된 축류팬의 일부 정면도이다.

도 7은, 도 5에 도시된 축류팬에 있어서, 날개분포각을 설명하기 위한 일부 정면도이다.

도 8은, 본 발명에 따른 축류팬의 예를 나타내는 정면도이다.

도 9는, 도 8에 도시된 본 발명에 따른 축류팬에 있어서, 날개 구조를 설명하기 위한 일부 정면도이다.

도 10 내지 도 15는, 본 발명에 따른 축류팬들과 종래 축류팬에 대하여 주파수에 따른 소음을 비교한 그래프이다.

도 16은, 클리어런스 앵글에 따른 전체 소음발생량(overlall noise)의 변화 양상을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 허브(Hub) 120 : 날개

122 : 익근 124 : 익단

130 : 팬 밴드(Fan Band) A1 : 날개분포각

C : 허브의 중심 C1, C2 : 허브에 접하는 익근의 중심

L1, L2 : 허브의 중심과 익근의 중심을 지나는 선

D : 유동분산영역 S1, S2 : 유동집중부

r_I1, r_I2, r_I3 : 제1변곡점, 제2변곡점, 제3변곡점

본 발명은 축류팬에 관한 것으로서, 특히 날개의 변형 및 불균형(Unbalance)을 작게 할 수 있는 구조적인 안정성을 도모함과 아울러, 저소음을 달성할 수 있는 축류팬에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 예컨대 자동차의 라디에이터, 콘덴서 등의 열교환기 내부를 거치는 열교환매체의 냉각을 위하여 사용되는 축류팬(10)은, 모터와 같은 구동원(50)의 축(52)과 결합되는 허브(Hub, 20)와, 상기 허브(20)의 외주에 방사상으로 배치되는 다수의 날개(30)와, 그리고 상기 날개(30)들의 변형을 방지하기 위하여 날개(30)들의 끝을 연결하는 팬 밴드(Fan Band, 40)를 구비한다. 따라서, 구동원(50)으로부터 허브(20)에 전달되는 회전력에 의해 축류팬(10)이 회전하면서 날개(30)들에 의해 공기가 축방향으로 송풍될 수 있다.

상기 축류팬(10)에 의하여 송풍되는 공기를 열교환기쪽으로 효과적으로 안내하기 위하여, 열교환기에 고정되는 쉬라우드(Shroud, 60)가 사용된다. 상기 쉬라우드(60)는, 공기송풍을 안내하기 위하여 축류팬(10)이 회전가능하게 삽입될 수 있는 크기의 송풍구를 가지면서 구동원인 모터(50)를 지지할 수 있도록 형성된다.

통상적인 축류팬(10)의 날개(30)에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전방향쪽 가장자리인 전연(Leading Edge, LE)과 회전반대방향쪽 가장자리인 후연(Trailing Edge, TE)이, 허브(20)와의 연결부인 익근(Root of Blade, 32)으로부터 날개(30)의 중앙부쪽으로 갈수록 회전반대방향쪽으로 기울어지는 후향 휨각(Backward Sweeping Angle)을 가지다가, 팬 밴드(40)와의 연결부인 익단(Tip of Blade, 34)쪽으로 갈수록 회전방향쪽으로 기울어지는 전향 휨각(Forward Sweeping Angle)을 가진다. 이러한 휨각의 변화는 축류팬의 성능에 있어서 중요한 요인이 되고 있으나, 만족스러운 송풍효율과 소음저감효과를 얻기에는 힘든 것으로 알려져 있다.

이러한 점을 고려하여, 본 출원인에 의하여 한국 공개특허 제2002-94183호 및 동 제2002-94184호의 축류팬이 제안된 바 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전자의 축류팬(10a)은, 전연(LE) 및 후연(TE)의 휨각이 익근(32a)에서 익단(34a)으로 가면서 후향에서 전향으로, 그리고 전향에서 후향으로 교대로 이루어지는 파형 구조의 날개(30a)를 가진다. 또한, 동일 반경하의 날개(30a)의 전연(LE)과 후연(TE)을 이은 선인 코드 길이(Chord Length, CL)는, 익근(32a)에서 익단(34a)으로 가면서 점증된다. 참조부호 α는 수평선(H)에 대한 날개(30a)의 설치각을 나타낸다. 참조부호 20a는 허브, 40a는 팬 밴드를 각각 나타낸다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 후자의 축류팬(10b)은, 전자와 마찬가지로 파형 구조의 날개(30b)를 가지고 있고, 코드 길이(CL)(도 4 참조)가 익근(32b)에서 익단(34b)으로 가면서 점증한다. 또한, 날개(30b)의 익근(32b)측이 최대 후향 휨각을 가지고, 익단(34b)측은 최대 전향 휨각을 가지고 있다. 참조부호 20b는 허브, 40b는 팬 밴드를 각각 나타낸다.

상기한 파형 구조의 날개(30a, 30b)를 가지는 축류팬(10a, 10b)에 따르면, 전연(LE)과 후연(TE)의 중앙을 이은 선인 중앙선(Mid-chord Line, ML)상에 표시된, 휨각이 바뀌는 변곡점들(P1, P2) 사이의 영역이 공기의 유동을 분산시키는 영역으로 작용함으로써, 공기의 유동이 집중되는 것이 방지되므로, 도 1 및 도 2에 도시된 축류팬(10)에 비하여 송풍효율이 상승됨은 물론 소음도 저감될 수 있다.

예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기한 파형 구조의 날개를 가지는 축류팬에 있어서는, 허브(20b)의 중심(C)과, 서로 인접하는 두 날개(30b, 30b)와 상기 허브(20b)가 접하는 각 익근(32b)의 중심(C1, C2)을 지나는 두 선(L1, L2)이 이루는 각도를 날개분포각(A1)이라 하고, 날개(30b)의 개수를 n이라 할 때, 등각분포는 날개분포각(A1)이 360/n이 되는 경우로 정의된다.

또한, 상기 날개분포각(A1)은, 등각분포에서 소정의 각도만큼 축류팬의 회전방향(+) 또는 회전반대방향(-)으로 이동될 수 있는데, 이 때 증감될 수 있는 각도의 범위를 클리어런스 앵글(Clearance Angle, B)이라 한다. 즉, 날개의 날개분포각(A1)=등각분포각±클리어런스 앵글(B)로 나타낼 수 있다.

한편, 미국 특허 5,000,660에는, 적어도 2개의 날개 사이에서 익근으로부터 익단까지의 곡률이 다른 언이븐 구조의 날개를 가지는 축류팬이 개시되어 있는데, 이 축류팬은 날개의 익근 부분의 강성을 높이고, 날개의 익단 부분에서의 소음을 저감할 목적으로 제안된 것이다.

그런데, 상기한 바와 같은 종래 파형 구조의 날개를 가지는 축류팬에 있어서는, 상기 클리어런스 앵글(B)의 크기를 과다하게 크게 설정하면, 축류팬의 회전시 불균형(Unbalance) 문제가 발생하고, 만족할 만한 소음저감효과를 얻을 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 최적의 클리어런스 앵글에 의해 날개분포각을 결정하여 날개의 언이븐(Uneven) 정도를 결정함으로써, 날개의 변형 및 불균형을 작게 할 수 있는 구조적인 안정성을 도모함과 아울러, 저소음을 달성할 수 있는 축류팬을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 허브(Hub, 110)와, 상기 허브의 원주에 방사상으로 배치되며 익근(122)과 익단(124) 사이의 영역에서 휨각의 방향이 교대로 바뀌는 다수의 날개(120)와; 상기 각 날개의 익단들을 일체적으로 연결하는 팬 밴드(Fan Band, 130);를 포함하여 이루어지는 축류팬에 있어서: 상기 허브의 중심(C)과, 서로 인접하는 두 날개와 상기 허브가 접하는 각 익근의 중심(C1, C2)을 지나는 두 선(L1, L2)이 이루는 각도를 날개분포각(A1)이라 하고, 상기 날개의 개수가 n일 경우에 등각분포각을 360/n이라 할 때, 상기 날개들은, 날개의 날개분포각(A1)=등각분포각±클리어런스 앵글을 만족하면서, 상기 클리어런스 앵글이 4° ~ 9°의 범위가 되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 클리어런스 앵글이 6° ~ 7°의 범위로 적용되는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 허브의 중심과, 서로 인접하는 두 날개와 상기 허브가 접하는 각 익근의 중심을 지나는 두 선이 이루는 각도를 허브측 날개분포각이라 하고, 상기 두 날개의 익단의 중심을 지나는 두 선이 이루는 각도를 익단측 날개분포각이라 할 때, 상기 허브측 날개분포각과 상기 익단측 날개분포각은 서로 동일한 것이 바람직하다.

또한, 상기 날개는 전향각을 갖는 익단으로부터 후향각을 가지며 허브와 연결되는 익근까지 각도가 점진적으로 변화하는 휨각을 가지되, 익단측의 전향각 영역과 익근측의 후향각 영역 사이에 상기 휨각의 방향이 교대로 반전되는 다수 개의 유동분산영역(D)을 가지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 날개는 익단에서 익근까지 연장되는 전연(LE)을 가지며, 상기 전연(LE)은 익근의 최대후향각에서 익단의 최대전향각까지 휨각 방향이 점진적으로 변화하되, 상기 휨각 방향은 익근측의 후향각으로부터 중간에 전향으로 반전된 다 음 후향으로 반전되었다가 다시 전향으로 반전되어 익단측의 전향각으로 이어지도록 변화하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 날개는 익단에서 익근까지 연장되는 후연(TE)을 가지며, 상기 후연(TE)의 휨각 변화 양상은 상기 전연(LE)의 휨각 변화 양상과 동일한 것이 바람직하다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 8에는, 본 발명에 따른 축류팬의 예가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 축류팬(100)은, 허브(110)와, 상기 허브(110)의 원주에 방사상으로 배치되고, 익근(122)과 익단(124) 사이의 영역에서 휨각의 방향이 교대로 바뀌는 다수의 날개(120)와; 상기 각 날개(120)의 익단(124)들은 일체적으로 연결하는 팬 밴드(130);를 포함하여 이루어진다. 본 예에서는, 9개의 날개(120)가 적용된 축류팬(100)이 예시되어 있다.

본 발명에 따르면, 상기 허브(110)의 중심(C)과, 서로 인접하는 두 날개(120, 120)와 상기 허브(110)가 접하는 각 익근(122)의 중심(C1, C2)을 지나는 두 선(L1, L2)이 이루는 각도를 날개분포각(A1)이라 하고, 상기 날개분포각(A1)에서 소정의 각도만큼 축류팬(100)의 회전방향(+) 또는 회전반대방향(-)으로 이동되는 각도의 범위를 클리어런스 앵글이라 하며, 상기 날개(120)의 개수를 n이라 할 때, 상기 날개(120)들이 설치되는 간격을 나타내는 등각분포는 360/n로 정의될 수 있다.

즉, 상기 날개(120)들은 예컨대, 40° 간격으로 설치될 수 있는데, 이러한 날개(120)의 실제 각도 분포는 상기 클리어런스 앵글의 범위로 소정의 각도만큼 축류팬(100)의 회전방향(+) 또는 회전반대방향(-)으로 이동될 수 있다.

따라서, 날개(120)의 날개분포각(A1)은, 날개분포각(A1)=등각분포각±클리어런스 앵글의 수학식으로 나타낼 수 있으며, 상기 클리어런스 앵글은 4° ~ 10°의 범위인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게 상기 클리어런스 앵글은 6° ~ 7°이다.

또한, 상기 허브(110)의 중심(C)과, 서로 인접하는 두 날개(120, 120)와 상기 허브(110)가 접하는 각 익근(122)의 중심(C1, C2)을 지나는 두 선(L1, L2)이 이루는 각도(A1r)를 허브측 날개분포각이라 하고, 상기 허브(110)의 중심(C)과, 상기 두 날개(120, 120)의 익단(124)의 중심(C3, C4)을 지나는 두 선(L3, L4)이 이루는 각도(A1t)를 익단측 날개분포각이라 할 때, 상기 허브측 날개분포각(A1r)과 상기 익단측 날개분포각(A1t)은 서로 동일한 것이 바람직하다.

도 9는 도 8에 도시된 본 발명에 따른 축류팬에 있어서, 날개 구조를 설명하기 위한 일부 정면도이다. 도 9의 날개(120)에는 전연(LE, Leading Edge), 후연(TE, Trailing Edge) 및 상기 전연과 상기 후연 사이의 중앙을 반경 방향으로 연결 한 선으로 정의되는 중앙선(ML, Mid-chord Line)이 표시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 축류팬에 있어서, 날개(120)의 전연(LE)은, 익근(122)과 익단(124)의 전체 구간으로 볼 때, 익근(122)측의 최대후향각에서 익단(124)측의 최대전향각까지 점진적으로 방향이 바뀌는 휨각을 가진다. 아울러 상기 전연(LE)은, 그 중간에서 휨각이 익근(124)측의 후향에서 전향으로 바뀌는 제1변곡점(r_I1)에서 시작된 후 제2변곡점(r_I2)에서 다시 후향으로 방향이 바뀌고 제3변곡점(r_I3)에서 다시 전향으로 바뀌는 소구간인 유동분산영역(D)을 갖는다.

다시 말해, 상기 날개(120)의 전연(LE)은 익근(122)측 후향영역과 익단(124)측 전향영역 사이에서 휨각이 익근(122)측 후향으로부터 전향, 후향, 전향 순서대로 점진적으로 변화하여 익단(124)측 전향과 연결되는 형상으로 형성된다.

또한, 도시된 바와 같이 상기 날개(120)의 후연(TE) 역시 상기 전연(LE)과 같은 양상으로, 즉 익근(122)측 후향영역과 익단(124)측 전향영역 사이에서 휨각이 익근(122)측 후향으로부터 전향, 후향, 전향 순서대로 점진적으로 변화하여 익단(124)측 전향과 연결되는 형상으로 형성된다.

이상과 같이 익근(122)측 후향영역과 익단(124)측 전향영역 사이에 형성되는 유동분산영역(D)은, 후연(TE) 측에 유동이 집중되는 두 개의 유동집중부(S1, S2)를 형성함으로써 유동이 집중되는 것을 크게 완화하는 역할을 하며, 이에 따라 소비전력대비 송풍효율이 높아질 뿐만 아니라 소음 발생량이 크게 저감되게 된다.

도 10 내지 도 15에는 본 발명에 따라 클리어런스 앵글을 4° ~ 9°로 한 경우에 주파수에 따른 소음을 비교한 그래프가 도시되어 있다. 도 10 내지 도 15에 나타나는 바와 같이, 동일 전압인 조건에서 본 발명의 축류팬들(실시예 1 및 실시예 2)과 종래 축류팬에 대하여 시험한 결과, 본 발명에 따른 축류팬들의 소음이 낮게 발생하는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 축류팬들은, 낮은 회전수에서도 풍량이 많으며, 또한 동일 풍량인 조건에서 본 발명의 축류팬들과 종래 축류팬에 대하여 시험한 결과, 본 발명에 따른 축류팬들의 소음이 낮게 발생하고, 회전수 및 전압이 낮은 것을 알 수 있었다.

도 10 내지 도 15의 그래프에는 이븐 팬에서의 소음 그래프가 공통적으로 짙은 푸른색으로 도시되어 있으며, 각각의 언이븐 팬에서의 소음 그래프가 다른 색으로 도시되어 있다. 도 10 내지 도 15에서, 이븐 팬에서의 소음 피크(peak) 값과 비교하여 언이븐 팬에서의 소음 피크 값은 훨씬 작게 나타나는 것을 확연히 알 수 있다.

표 1은 클리어런스 앵글에 따른 전체 소음발생량(overall noise)의 변화 데이터를 표시한 것이며, 도 16은 상기 표 1의 데이터를 그래프로 나타낸 것이다.

클리어런스 앵글 (Cleareance Angle)	전체 소음발생량 (Overall Noise)
0	67.9
1	67.7
2	67.6
3	67.8
4	67.0
5	66.6
6	66.3
7	66.6
8	66.5
9	66.7
10	67.2
11	67.3
12	67.5
13	67.4
14	67.9

상기 표 1 및 도 16에서, 클리어런스 앵글이 0°인 경우는 이븐(Even) 팬인 경우로서, 즉 날개가 정확하게 등각분포를 이루고 있는 경우(날개분포각=등각분포각)를 의미한다. 도 16에 도시된 바와 같이 날개분포각이 등각분포각일 때 즉 클리어런스 앵글이 0°인 경우에는 소음발생량이 매우 높으며, 클리어런스 앵글이 점점 커짐에 따라 소음발생량이 점점 줄어들다가 클리어런스 앵글이 일정량을 넘어서면 다시 소음발생량이 증가하는 경향을 뚜렷하게 보이고 있다. 도시된 바와 같이 클리어런스 앵글이 4° ~ 9°인 경우 이븐 팬인 경우보다 확연히 소음발생량이 줄어들며, 특히 클리어런스 앵글이 6° ~ 7°인 경우 소음 저감효과가 최대화된다는 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 축류팬에 의하면, 최적의 클리어런스 앵글을 적용하여 날개(120)의 날개분포각을 결정함으로써, 종래 축류팬에 비하여 소음을 크게 저감할 수 있으므로, 축류팬이 적용되는 장치에 대하여 정숙한 운 전을 도모할 수 있다. 더불어, 클리어런스 앵글을 조절할 뿐 아니라 날개에 유동분산영역이 형성되도록 함으로써 더욱 송풍효율 증가와 소음 저감의 효과를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 축류팬은 종래 축류팬에 비하여 낮은 회전수에서도 많은 풍량을 얻을 수 있으므로, 구조적인 안정성을 도모할 수 있고, 이에 따라 축류팬의 내구성을 높일 수 있다.

Claims

허브(Hub, 110)와, 상기 허브의 원주에 방사상으로 배치되며 익근(122)과 익단(124) 사이의 영역에서 휨각의 방향이 교대로 바뀌는 다수의 날개(120)와; 상기 각 날개의 익단들을 일체적으로 연결하는 팬 밴드(Fan Band, 130);를 포함하여 이루어지는 축류팬에 있어서:

상기 허브의 중심(C)과, 서로 인접하는 두 날개와 상기 허브가 접하는 각 익근의 중심(C1, C2)을 지나는 두 선(L1, L2)이 이루는 각도를 날개분포각(A1)이라 하고, 상기 날개의 개수가 n일 경우에 등각분포각을 360/n이라 할 때, 상기 날개들은, 날개의 날개분포각(A1)=등각분포각±클리어런스 앵글을 만족하면서, 상기 클리어런스 앵글이 5° ~ 9°의 범위가 되도록 배치되며,

상기 허브(110)의 중심(C)과, 서로 인접하는 두 날개(120, 120)와 상기 허브가 접하는 각 익근(122)의 중심(C1, C2)을 지나는 두 선(L1, L2)이 이루는 각도(A1r)를 허브측 날개분포각이라 하고, 상기 두 날개(120, 120)의 익단(124)의 중심(C3, C4)을 지나는 두 선(L3, L4)이 이루는 각도(A1t)를 익단측 날개분포각이라 할 때, 상기 허브측 날개분포각(A1r)과 상기 익단측 날개분포각(A1t)은 서로 동일하며,

상기 날개(120)는, 전향각을 갖는 익단(124)으로부터 후향각을 가지며 허브(110)와 연결되는 익근(122)까지 각도가 점진적으로 변화하는 휨각을 가지되, 익단(124)측의 전향각 영역과 익근(122)측의 후향각 영역 사이에 상기 휨각의 방향이 교대로 반전되는 다수 개의 유동분산영역(D)을 가지고,

상기 날개(120)는, 익단(124)에서 익근(122)까지 연장되는 전연(LE)을 가지며, 상기 전연(LE)은 익근(122)의 최대후향각에서 익단(124)의 최대전향각까지 휨각 방향이 점진적으로 변화하되, 상기 휨각 방향은 익근(122)측의 후향각으로부터 중간에 전향으로 반전된 다음 후향으로 반전되었다가 다시 전향으로 반전되어 익단(124)측의 전향각으로 이어지도록 변화하는 것을 특징으로 하는 축류팬.
제 1 항에 있어서,

상기 클리어런스 앵글이 6° ~ 7°의 범위로 적용되는 것을 특징으로 하는 축류팬.
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제 1 항에 있어서, 상기 날개(120)는

익단(124)에서 익근(122)까지 연장되는 후연(TE)을 가지며, 상기 후연(TE)의 휨각 변화 양상은 상기 전연(LE)의 휨각 변화 양상과 동일한 것을 특징으로 하는 축류팬.