KR20020026623A - 축류팬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축류팬을 구성하는 블레이드 형상의 최적설계를 통해 블레이드 팁 부분에서의 와류에 기인해 발생하는 부압면쪽으로의 역류량을 저감시키므로써 기존의 축류팬에 비해 진일보된 고효율·저소음 축류팬을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해, 본 발명은 허브(15)와, 상기 허브(15)의 외주면에 방사상으로 형성되는 블레이드(14)를 구비한 축류팬에 있어서; 상기 블레이드(14)의 전연(16)과 후연(17)을 연결하는 블레이드 팁 부분에, 상기 블레이드(14)의 부압면(14a) 방향으로 만곡된 소익부(20)가 형성된 것을 특징으로 하는 축류팬이 제공된다.

Description

축류팬 {Axial fan }

본 발명은 축류팬에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉장고 및 공기조화기등에 널리 적용되는 축류팬의 블레이드 구조 개선에 관한 것이다.

일반적으로, 축류팬(axial fan)은 외부의 구동원으로부터 전달되는 회전력에 의해 회전하면서 공기를 축방향으로 송풍하는 유체기계의 하나로서, 선풍기나 공기조화기 및 냉장고등의 가전제품 뿐만 아니라, 항공기나 발전기 분야등 다양한 산업 분야에 널리 적용되고 있다.

이러한 축류팬의 주요 성능은, 팬의 효율등과 같은 유체역학적 특성과 구조물의 강도 및 진동과 같은 구조적인 특성에 의해 지배되며, 경우에 따라 소음 등의특성은 유체 유동과 구조물의 상호작용에 의해 영향을 받기도 한다.

이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 종래 축류팬에 대해 살펴보고자 한다.

기존의 축류팬(10a)은, 모터(3)의 구동축에 결합되는 허브(15)와, 상기 허브(15)의 외주부에 방사상으로 형성되어 공기를 송풍시키는 작용을 하는 다수개의 블레이드로 이루어지며, 블레이드의 3차원적인 형상은 축류팬에서 얻어지는 공기의 유동특성을 결정하는 주요한 구성인자가 된다.

예컨대, 축류팬을 구성하는 블레이드의 3차원적 형상은 스윕각(sweep angle)과, 내외경비, 피치각(pitch angle), 최대 캠버량(maximum camber) 및 최대 캠버위치 등의 구성인자들로 표현될 수 있으며, 블레이드(14)의 형상을 3차원적으로 정의하는 이러한 구성인자들은 공기역학 분야에서 잘 알려진 인자들이므로 개별 인자에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 유체의 흐름과 관련하여 블레이드(14)의 형상을 정의함에 있어서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 유체가 축류팬(10a)으로 흡입되기 전의 위치인 상류측에서 축류팬(10)을 바라 볼 때 보이는 블레이드(14)의 면은 부압면(14a), 그 반대쪽의 보이지 않는 블레이드(14)면은 압력면(14b)으로 정의된다.

그리고, 상기 블레이드(14)의 반경방향 끝 부분은 블레이드의 전연(16)과 후연(17)을 연결하는 블레이드 팁(18)(blade tip)으로 정의된다.

이 때, 전연(16)(leading edge)은 블레이드 팁(18) 일측과 허브(15)를 연결하는 부분으로서 공기를 흡입하는 역할을 하게 되며, 후연(17)(trailing edge)은블레이드 팁(18) 타측과 허브(15)를 연결하는 부분으로서 공기를 배출하는 역할을 하게 된다.

이와 같이 구성된 축류팬(10a)은 모터(3)의 구동력을 받아 회전함에 따라, 블레이드(14)의 압력면(14b)과 부압면(14a) 사이의 압력 차이를 야기시키게 되며, 이에 따라 상류측 유체가 하류측으로 유동하게 되는 축류 유동을 발생시키게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 축류팬(10a)은 회전시 다음과 같은 문제점을 야기시키는 구조의 한계가 있었다.

즉, 종래 축류팬(10a)에서는 블레이드(14)의 회전시, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 블레이드(14)의 팁에서 와류가 발생하게 되며, 이 와류는 축류팬(10a)의 송풍효율을 떨어뜨리는 손실 요인으로 작용할 뿐만 아니라, 팬 소음을 일으키는 주된 요인으로 작용하게 된다.

이 때, 상기 와류는 블레이드(14)의 팁(18)을 타고 블레이드(14) 하면인 압력면(14b)으로부터 상면인 부압면(14a)으로 넘어가려는 유동형태를 띠게 된다.

한편, 이와 같이 각 블레이드(14)의 팁(18)을 타고 발생하는 와류는 축류팬에 있어서는, 그 설치 개소에 관계없이 공통적으로 발생하게 된다.

즉, 개방된 공간에 설치된 축류팬(10a)이든 폐쇄된 공간내에 설치된 축류팬이든 관계없이 공통적으로 일어나게 된다.

특히, 상기한 바와 같이 블레이드(14)의 팁에서 발생하는 와류는 도 4에 나타낸 바와 같이, 축류팬(10a)이 시라우드(5) 내측에 위치하고 있을 때에는 보다 쉽게 발생하게 된다.

즉, 도 4는 도 3의 P지점에서 시라우드(5)와 종래 축류팬(10a) 사이를 통과하는 공기의 유동을 관찰하여 가시화한 전개도로서, 시라우드(5)와 블레이드 팁(18)과의 거리가 가장 가까운 위치에 발생한 와류로 인한 역류량은 "d1"로 표시되며, 도면에서의 화살표 길이는 유체의 속도 크기를 나타낸다.

요컨대, 종래 축류팬(10a)의 블레이드 팁(18)에서는 압력면(14b)쪽에서 부압면(14a) 쪽으로 넘어가는 형태를 띠는 많은 양의 와류가 발생하게 되며, 이는 축류팬의 손실로 작용하게 될 뿐만 아니라 되며, 주된 팬소음 발생원으로 작용하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 축류팬을 구성하는 블레이드 형상의 최적설계를 통해 진일보된 고효율·저소음 축류팬을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 기존의 축류팬 구조를 설명하기 위한 측면도

도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 절개하여 나타낸 단면도

도 3은 시라우드 사이에 도 1의 축류팬이 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 평면도

도 4는 도 3의 P지점에서 시라우드와 종래 축류팬 사이를 통과하는 공기의 유동을 관찰하여 가시화한 전개도

도 5는 본 발명에 따른 축류팬의 일실시예를 나타낸 사시도

도 6은 도 5의 본 발명 축류팬 구조를 설명하기 위한 측면도

도 7은 도 6의 Ⅱ-Ⅱ선을 절개하여 나타낸 단면도

도 8은 도 3의 P지점에서 시라우드와 본 발명 축류팬 사이를 통과하는 공기의 유동을 관찰하여 가시화한 전개도

도 9는 본 발명에 따른 축류팬에 있어서의 팬 반경에 대한 소익부의 팬 반경방향 길이 비와 소음 크기와의 관계를 나타낸 그래프

도 10은 본 발명에 따른 축류팬에 있어서의 소익부의 팬 반경방향 길이에 대한 소익부의 팬 축방향 길이 비와 소음 크기와의 관계를 나타낸 그래프

도 11은 본 발명에 따른 축류팬과 종래 축류팬의 주파수 대역별 소음 크기를측정하여 나타낸 그래프

도 12는 본 발명에 따른 축류팬의 다른 실시예를 나타낸 사시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

3:모터 5:시라우드

10:축류팬 14:블레이드

14a:부압면 14b:압력면

15:허브 16:전연

17:후연 18:블레이드 팁

20:소익부

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 허브와, 상기 허브의 외주면에 방사상으로 형성되는 블레이드를 구비한 축류팬에 있어서; 상기 블레이드의 전연과 후연을 연결하는 블레이드 팁에, 상기 블레이드의 부압면 방향으로 만곡된 소익부가 형성된 것을 특징으로 하는 축류팬이 제공된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면 도 5 내지 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 축류팬의 일실시예를 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 본 발명 축류팬 구조를 설명하기 위한 측면도이며, 도 7은 도 6의 Ⅱ-Ⅱ선을 절개하여 나타낸 단면도로서, 본 발명은 허브(15)와, 상기 허브(15)의 외주면에 방사상으로 형성되는 블레이드(14)를 구비한 축류팬(10)에 있어서; 상기 블레이드(14)의 전연(16)과 후연(17)을 연결하는 블레이드 팁 부분에, 상기 블레이드(14)의 부압면(14a) 방향으로 만곡된 소익부(20)를 형성하여서 된 것이다.

이 때, 상기 축류팬(10)에 형성되는 소익부(20)는 블레이드 팁의 전연(16)에서부터 후연(17)에 이르기까지의 전 영역에 걸쳐 형성된다.

그리고, 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 길이는 상기 블레이드(14)의 전연(16)으로부터 후연(17)으로 갈수록 선형적으로 커지게 된다.

보다 구체적으로, 상기 소익부(20)의 블레이드 후연(17)측에 존재하는 팬 반경방향 최대길이를 a라 하고, 축류팬(10) 반경을 Rt라고 할 때, 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 최대길이 a는 축류팬(10)의 반경 Rt의 11∼18％ 범위에 속하는 길이로 설정된다.

여기서, 소익부(20)의 팬 반경방향 최대길이 a는 허브(15) 중심으로부터 소익부(20)의 팬 축방향 끝단까지의 높이로 정의된다(도 7참조).

그리고, 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 길이가 최대인 지점에서의 팬 축방향 길이를 b라고 할 때, 상기 소익부(20)의 팬 축방향 길이 b는 상기 소익부(20)의 반경방향 최대길이 a의 45∼105％ 범위에 속하는 길이로 설정된다.

상기에서 소익부(20)의 팬 축방향 길이 b는 팬 반경방향 길이가 최대인 지점에서의 팬 축방향 길이이므로, 결국 팬 축방향의 최대길이가 된다.

요컨대, 본 발명의 제1실시예에 따른 축류팬의 소익부는, 전연에서는 팬 반경방향 길이 및 팬 축방향 길이가 모두 "0" 으로서, 후연으로 갈수록 팬 반경방향 길이 및 팬 축방향 길이가 선형적으로 증가하여, 후연 일지점에 이르러서는 팬 반경방향길이 및 팬 축방향 길이가 각각 최대길이인 a,b를 이루는 구조로 설계된다.

한편, 상기 소익부(20)의 만곡된 형상은, 팬의 축선과 블레이드(14)의 두께 중심부를 지나는 수직선과의 교차점의 좌표를 (0,0)라 하고, 소익부(20)의 팬 반경방향 최대길이 a에 팬 반경방향으로의 소익부의 두께를 더한 길이를 c라고 할 때, 소익부(20)의 팬 반경방향 길이a의 두배인 2a를 장축으로 삼고, 소익부(20)의 팬 축방향 길이 b의 두배인 2b를 단축으로 삼으며, 상기한 좌표 (0,0)를 팬의 축선방향으로 b만큼 이동시킴과 더불어 상기 블레이드(14)의 두께 중심부를 지나는 수직선 방향으로 Rt-c만큼 이동시킨 지점의 좌표 (b,Rt-c)를 중심으로 삼아서 그린 타원의 궤적을 따르도록 형성됨이 바람직하다.

이 때, 상기 타원은 소익부(20)의 두께 중심을 이은 선과 대략 일치하도록 형성됨이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 축류팬의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 8은 도 3의 P지점에서 시라우드(5)와 본 발명 축류팬(10) 사이를 통과하는 공기의 유동을 관찰하여 가시화한 전개도로서, 도 4와 비교하여 보면 시라우드(5)와 축류팬(10) 사이의 유속이 상대적으로 작기 때문에 유동손실과 역류량이 감소함을 알 수 있다.

즉, 도 4 및 도 8에서의 화살표 길이는 역류하는 유체의 속도 크기를 나타내고, 폭으로 나타나는 "d1" 및 "d2"는 역류량을 나타내므로, 상기 도 4와 도8에서의 화살표 길이 비교를 통해 본 발명에 따른 축류팬(10)에서는 역류하는 유체의 속도가 극히 느리고, 폭 "d1" 및 "d2"의 비교를 통해 본 발명에 따른 축류팬(10)에서의 역류량 "d2"가 종래의 축류팬(10a)에서 발생하는 역류량 "d1"에 비해 줄어들게 됨을 알 수 있다.

한편, 도 9는 본 발명에 따른 축류팬에 있어서의 팬 반경(Rt)에 대한 소익부(20)의 팬 반경방향 길이(a) 비와 소음 크기와의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명에 따른 축류팬(10)에 있어서의 소익부(20)의 팬 반경방향 길이에 대한 소익부(20)의 팬 축방향 길이 비와 소음 크기와의 관계를 나타낸 그래프로서, 이 그래프를 통해 소익부(20)의 최적 형상을 설계할 수 있다.

즉, 상기 블레이드(14)의 전연(16)과 후연(17)을 연결하는 블레이드 팁 부분에, 상기 블레이드(14)의 부압면(14a) 방향으로 휘어지게 형성되는 본 발명의 소익부(20)의 최적 설계치는 다음과 같다.

우선, 본 발명의 제1실시예에 따른 소익부(20)의 팬 반경방향 길이는 상기 블레이드(14)의 전연(16)으로부터 후연(17)으로 갈수록 선형적(線型的)으로 증가하는 형태를 이루게 된다.

보다 구체적으로는, 상기 소익부(20)의 블레이드 후연(17)측에 존재하는 팬반경방향 최대길이를 a라 하고, 축류팬(10) 반경을 Rt라고 할 때, 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 최대길이 a는 축류팬(10)의 반경 Rt의 11∼18％ 범위에 속하는 길이로 설정된다.

그리고, 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 길이가 최대인 지점의 블레이드 후연(17)측의 팬 축방향 길이를 b라고 할 때, 상기 소익부(20)의 팬 축방향 길이 b는 상기 소익부(20)의 반경방향 최대길이 a의 45∼105％ 범위에 속하는 길이로 설정된다.

한편, 상기 소익부(20)는, 축류팬(10)의 중심 축선과 블레이드(14)의 두께 중심부를 지나는 수직선과의 교차점의 좌표를 (0,0)라 하고, 소익부(20)의 팬 반경방향 최대길이 a에 팬 반경방향으로의 소익부의 두께를 더한 길이를 c라고 할 때, 소익부(20)의 팬 반경방향 길이a의 두배인 2a를 장축으로 삼고, 소익부(20)의 팬 축방향 길이b의 두배인 2b를 단축으로 삼으며, 좌표 (b,Rt-c)를 중심으로 삼아서 그린 타원의 궤적을 따르도록 형성됨이 바람직하다.

도 11은 본 발명에 따른 축류팬(10)과 종래 축류팬(10a)의 주파수 대역별 소음 크기를 측정하여 나타낸 그래프로서, 동일한 풍량에서 소익부(20)를 설치한 본 발명의 축류팬(10)과 소익부(20)를 두지 않은 종래 축류팬(10a)의 소음 스펙트럼을 비교할 경우, 본 발명의 축류팬(10)은 광대역에 걸쳐 종래 축류팬(10a)에 비해 소음이 줄어들게 됨을 알 수 있다.

한편, 상기한 본 발명의 제1실시예에 따른 소익부(20)는, 팬 반경방향 길이a와 소익부(20)의 팬 축방향 길이 b를 기울기로 가지는 직선을 따라 대략적으로 만곡 형성되거나, 직선을 이루도록 형성되어도 무방하다.

즉, 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 길이를 a, 상기 소익부(20)의 팬 축방향 길이를 b, 축류팬(10) 반경을 Rt라고 할 때, 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 길이 a는 축류팬(10)의 반경 Rt의 11∼18％ 범위에 속하는 길이로 설정되고, 상기 소익부(20)의 팬 축방향 길이 b는 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 최대길이 a의 45∼105％ 범위에 속하는 길이로 설정되어, 상기 소익부(20)는 팬 반경방향 길이a와 소익부(20)의 팬 축방향 길이 b를 기울기로 가지는 직선을 따라 대략적으로 만곡형성되거나, 아예 직선 형태를 이루도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 축류팬(10)의 블레이드 팁 부분에 형성되는 소익부(20)는 전연(16)에서부터 후연(17)에 이르기까지의 전영역에 걸쳐 형성되는 것이 아니라, 전연에서부터 후연에 이르기까지의 전 영역중 일부 영역에만 형성될 수도 있다.

한편, 도 12는 본 발명에 따른 축류팬의 다른 실시예를 나타낸 사시도로서, 이 경우에는 상기 소익부(20)의 팬 반경반향 길이 및 팬 축방향 길이가 블레이드(14)의 전연(16)으로부터 후연(17)에 이르기까지 일정하도록 형성된다.

이 때, 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 길이를 a라 하고, 축류팬(10) 반경을 Rt라고 할 때, 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 길이 a는 축류팬(10)의 반경 Rt의 11∼18％ 범위에 속하는 길이로 설정된다.

그리고, 상기 소익부(20)의 팬 축방향 길이를 b 라고 할 때, 상기 소익부(20)의 팬 축방향 길이 b는 상기 소익부(20)의 팬 반경방향 최대길이 a의 45∼105％ 범위에 속하는 길이로 설정된다.

즉, 이 경우는 상기한 제1실시예에서와는 달리, 소익부(20)의 팬 반경방향 길이 a 및, 팬 축방향 길이 b가 전연(16)에서부터 후연(17)에 이르기까지의 전영역에 걸쳐 일정한 값을 갖게 된다.

이상에서와 같이, 본 발명은 축류팬을 구성하는 블레이드 형상의 최적설계를 통해 진일보된 고효율·저소음 축류팬을 제공할 수 있게 된다.

즉, 본 발명은 축류팬의 블레이드 팁 부분에 소익부를 두므로써 블레이드 팁에서 발생하는 역류량을 줄여 팬의 효율을 향상시킴과 더불어 소음을 줄일 수 있게 된다.

Claims (13)

1. 허브와, 상기 허브의 외주면에 방사상으로 형성되는 블레이드를 구비한 축류팬에 있어서;

   상기 블레이드의 전연과 후연을 연결하는 블레이드 팁 부분에,

   상기 블레이드의 부압면 방향으로 만곡된 소익부가 형성된 것을 특징으로 하는 축류팬
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 축류팬에 형성되는 소익부는,

   전연과 후연을 연결하는 블레이드 팁의 전연에서부터 후연에 이르기까지의 전 영역에 걸쳐 형성됨을 특징으로 하는 축류팬
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 축류팬에 형성되는 소익부는 전연과 후연을 연결하는 블레이드 팁의 일부 영역에만 형성됨을 특징으로 하는 축류팬
4. 제 2항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 소익부의 팬 반경방향 길이는 상기 블레이드의 전연으로부터 후연으로 갈수록 선형적으로 커지게 됨을 특징으로 하는 축류팬.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 소익부의 허브 중심으로부터 소익부의 팬 축방향 끝단까지의 높이로 정의되는 팬 반경방향 길이중 최대길이를 a라 하고, 축류팬 반경을 Rt라고 할 때, 상기 소익부의 팬 반경방향 최대길이 a는 축류팬의 반경 Rt의 11∼18％ 범위에 속하는 길이로 설정됨을 특징으로 하는 축류팬.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 소익부의 팬 반경방향 최대길이가 a인 지점에서의 팬 축방향 길이를 b라고 할 때, 상기 소익부의 팬 축방향 길이 b는 상기 소익부의 팬 반경방향 최대길이 a의 45∼105％ 범위에 속하는 길이로 설정됨을 특징으로 하는 축류팬.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 소익부는,

   팬 반경방향 최대길이a와 소익부의 팬 축방향 길이 b를 기울기로 가지는 직선을 따라 대략적으로 만곡 형성됨을 특징으로 하는 축류팬.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 소익부는,

   팬의 축선과 블레이드의 두께 중심부를 지나는 수직선과의 교차점의 좌표를(0,0)라 하고, 소익부의 팬 반경방향 최대길이 a에 팬 반경방향으로의 소익부의 두께를 더한 길이를 c라고 할 때,

   소익부의 팬 반경방향 길이a의 두배인 2a를 장축으로 삼고, 소익부의 팬 축방향 길이 b의 두배인 2b를 단축으로 삼으며, 좌표 (b,Rt-c)를 중심으로 삼아서 그린 타원의 궤적이 소익부 두께 중심을 이은 선과 포개어지도록 형성됨을 특징으로 하는 축류팬.
9. 제 2 항에 있어서,

   상기 소익부의 팬 반경반향 길이 및 팬 축방향 길이는 블레이드의 전연으로부터 후연에 이르기까지 일정하도록 형성됨을 특징으로 하는 축류팬.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 소익부의 팬 반경방향 길이를 a라 하고, 축류팬 반경을 Rt라고 할 때, 상기 소익부의 팬 반경방향 길이 a는 축류팬의 반경 Rt의 11∼18％ 범위에 속하는 길이로 설정됨을 특징으로 하는 축류팬.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 소익부의 팬 축방향 길이를 b 라고 할 때, 상기 소익부의 팬 축방향 길이 b는 상기 소익부의 팬 반경방향 최대길이 a의 45∼105％ 범위에 속하는 길이로 설정됨을 특징으로 하는 축류팬.
12. 허브와, 상기 허브의 외주면에 방사상으로 형성되는 블레이드를 구비한 축류팬에 있어서;

    상기 블레이드의 전연과 후연을 연결하는 블레이드 팁 부분에, 상기 블레이드의 부압면 방향으로 경사진 직선형태의 소익부가 형성됨을 특징으로 하는 축류팬.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 소익부의 팬 반경방향 길이를 a, 상기 소익부의 팬 축방향 길이를 b, 축류팬 반경을 Rt라고 할 때,

    상기 소익부의 팬 반경방향 길이 a는 축류팬의 반경 Rt의 11∼18％ 범위에 속하는 길이로 설정되고, 상기 소익부의 팬 축방향 길이 b는 상기 소익부의 팬 반경방향 최대길이 a의 45∼105％ 범위에 속하는 길이로 설정되며,

    상기 소익부는 팬 반경방향 길이a와 소익부의 팬 축방향 길이 b를 기울기로 가지는 직선 형태를 이루게 됨을 특징으로 하는 축류팬.