KR0142413B1 - 팬 및 고정자를 갖춘 열 교환기 조립체 - Google Patents

팬 및 고정자를 갖춘 열 교환기 조립체

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KR0142413B1
KR0142413B1 KR1019900007263A KR900007263A KR0142413B1 KR 0142413 B1 KR0142413 B1 KR 0142413B1 KR 1019900007263 A KR1019900007263 A KR 1019900007263A KR 900007263 A KR900007263 A KR 900007263A KR 0142413 B1 KR0142413 B1 KR 0142413B1
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로랜드 호간 마크
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프란시스 케이. 레파드
캐리어 코포레이션
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Abstract

내용 없음

Description

팬 및 고정자를 갖춘 열 교환기 조립체
제1도는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기, 팬 및 고정자 조립체를 합체하고 있는 패키지형 터미널 공기 조화기(PTAC) 유닛의 개략적인 단면도.
제1A도는 열 교환기 핀 상으로의 공기 유동 입사각의 효과를 설명하기 위해, 제1도의 공기 조화기 유닛의 일부를 보충적으로 도시한 도면.
제2도는 PTAC의 옥외 또는 응축기 부분의 분해 사시도.
제3도는 본 발명의 상기 실시예에 따른 고정자 조립체의 정면도.
제4도는 제3도의 고정자 조립체의 전형적인 고정자 베인 또는 블레이드를 도시한 도면.
제5도는 제4도의 5-5선에서 취한 제4도의 고정자 베인의 횡단면도.
제6도는 방출 기류에서의 소용돌이 속도 성분에 기인한 무마찰 팬의 이상 기체 압력 증가에 관한 선도.
제7도는 열 교환기의 핀 상으로의 공기의 입사에 대한 고정자 조립체의 효과를 보여주는, 팬 및 고정자 조립체의 방사상 방향에서 취한 개략도.
제8도는 무마찰 프로펠러 팬과, 고정자 조립체를 갖춘 프로펠러 팬의 이상기체 압력 증가를 비교한 선도.
제9도 및 제10도는 소용돌이 성분의 완전 회복 및 부분 회복을 위한 고정자 및 팬 배치를 각각 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10:패키지형 터미널 공기 조화기 유닛12:옥내부
14:증발기 코일16:원심 팬
18:구동축20:옥외부
22:응축기 코일24:프로펠러 팬
26:허브28:블레이드
30:보호판32:원형 구멍
34:스트라이크 핀36:속도 벡터
40:고정자 로우42:프레임
44:링46:베인
본 발명은 공기 가동 팬(air-moving fan)에 관한 것으로서, 특히, 팬이 열 교환기 코일을 통해 공기를 강제로 흡인하거나 송풍하는 열 교환기 조립체에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 열 교환기 코일을 통해 공기를 이동시키는 프로펠러 팬에 고정자 로우(stator row)를 채용한 것에 관한 것이다.
이후에 기술하는 특정 실시예의 경우, 고정자 로우는 패키지형 터미널 공기 조화기(packaged terminal air conditioner)(PTAC)에 유익하게 적용될 뿐만 아니라, 실내 공기 조화기 또는 다른 유사한 장치에도 적당하다.
패키지형 터미널 공기 조화기는 건물 벽의 관통부를 통해 외부 또는 옥외부에 연결된 내부 또는 옥내부를 갖고 있는 유닛이다.
일반적으로, 이들 유닛은 여름에는 냉방용 공기 조화기로서 사용되고 겨울에는 난방용 가열 펌프로서 사용된다.
일반적으로, PTAC는 내부측의 원심 팬과 외부측의 프로펠러 팬에 동력을 공급하기 위해 동일한 모터 및 구동축을 사용한다. 팬의 공기 가동 효율을 증대시키는 것은 본 기술 분야의 오랜 목표였다. 이는 보다 적은 전력을 요구할 뿐만 아니라 팬으로 인한 소음 수준을 감소시키는 이중효과를 낳는다.
일반적으로, 고정자는, 예컨대 각종 압축기에서 공지되어 있음에도 불구하고, 난방, 환기 및 공기 조화(heating, ventilation, and air conditioning)(HAVC) 분야에서는 폭넓게 사용되지 않았고, PTAC 유닛에서도 적용된 적이 없었다.
자동차 환경에서 사용하기 위해 고정자 조립체를 갖춘 프로펠러 팬의 한 조합이 그레이의 미합중국 특허 제 4,548,548호에 이미 기술되어 있다. 이 특허의 경우, 팬은 열 교환기를 통해 공기를 송풍하기 위한 것으로써, 팬 바로 뒤에는 배출 가스를 축방향으로 향하게 하기 위한 원형 고정자가 배치된다. 이는 회전 성분을 제거하고, 열 교환기를 통한 공기 유동을 보다 원활하게 하기 위한 것이다. 그레이 특허의 고정자 조립체는 열 교환기의 전방에서 팬과 모터를 현수시키는 프레임 또는 스파이더의 일부분을 형성한다. 또한, 고정자는 원주 스커트(skirt)에 의해 팬 블레이드 선단들이 연결되는 소위 밴드형 팬에서 사용하기 위한 것이었다. 그레이 특허의 경우, 고정자는 팬-모터 시스템과 일체식으로 되어 있고 팬에 의해 지배되는 유동장(flow field)을 수용하도록 설계되어 있기 때문에 횡단면이 원형이다. 이것은 팬의 유효 표면적(effective face area) 코일의 표면적과 거의 동일하거나 팬의 축이 코일면의 기하학적 중심과 일치하는 경우에는 아주 실질적이다.
그러나, 코일의 표면적은 팬의 표면적보다 상당히 크거나 팬의 축심이 코일의 기하학적 중심으로부터 벗어나 있는 경우에, 고정자 배치 및 기하학적 형태는 최대 이익을 성취하기 위하여 확산을 고려해야 한다. 이것은 팬의 원형 기하학적 형태 및 방출 구역으로부터 코일의 보다 큰 또는 오프셋된 직사각형 기하학적 형태로 기류를 확산 또는 팽창시키기가 아주 곤란하기 때문에 중요하다. 공기측 코일 압력 손실의 (균일 유동에 대한) 부수적인 증가 및 열전달면의 불충분한 이용에 의해 코일면을 횡단하는 불균일한 공기 유동 쪽으로의 자연적인 경향을 최소화시키기 위해서는 최대 확산이 필요하다.
상술한 효과의 바람직한 제어를 성취하도록 확산을 최대화하기 위해서는 코일에 대면해서 고정자를 설치하고 코일 표면적과 부합되도록 전체적인 기하학적 형태를 구성하는 것이 유리하다. 이것은 소용돌이로 인한 원심력이 외향 확산 과정을 촉진하도록 하여, 결과적으로, 코일면을 횡단하는 균일 유동을 최대화한다. 만일, 고정자가 팬 방출부에 일반적으로 위치된다면(그레이 특허), 소용돌이 속도 성분은 확산 과정 이전에 제거되므로, 필요한 확산을 성취하는데 는 이용할 수 없게 된다.
본 발명의 목적은 코일면을 횡단하는 균일한 공기 유동을 최대화하고 코일핀 팩(coil fin pack)과 공기 입사 속도 사이의 각을 최소화하면서, 프로펠러 팬의 방출부로부터의 회전 에너지의 상당 부분을 회복하여, 이것을 증가된 압력과 같은 유용한 형태로 전환
시키는 것이다.
본 발명의 관련 목적은 열 교환기 코일과 함께 사용되는 프로펠러 팬에 대한 팬 소음 및 팬 축의 동력 요구를 감소시키는 것이다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 핀형 응축기 코일 또는 다른 열 교환기 코일이 축방향 유동 프로펠러 팬, 보호판 및 사실상 코일의 팬 쪽에 배치된 고정자 로우와 조합되어 있다. 열 교환기 코일은 평탄면과 공기가 열 교환기를 통과하게 되는 공기 통로를 한정하는 다수의 핀을 갖고 있다. 따라서, 이들 통로는 상기 평탄면과 대체로 수직을 이루고 있다. 축방향 유동 프로펠러 팬은 그 축심이 열 교환기를 통과하도록 열 교환기 평탄면과 대면하도록 위치된다. 그러나, 대부분의 경우에,패눅은 열 교환기의 중앙으로부터 한 쪽 또는 다른 쪽으로 변위된다. 팬은 허브와, 허브로부터 방사상 전개된 다수의 블레이드를 갖고, 전기 모터 등에 의해 회전 구동된다. 블레이드는 팬이 회전할 때 대체로 축방향인 흐름을 공기에 부여하도록 선택된 피치를 갖는다. 그러나, 이 유동은 소용돌이 성분 즉, 접선 또는 원주 방향 성분도 갖고 있다. 공기를 팬 속으로 안내하기 위해 팬 및 열 교환기 위쪽에 보호판이 배치된다. 또한, 보호판은 공기가 열 교환기를 통해 강제로 통과되고 팬의 흡입측으로 쉽게 재순환되지 않도록 해준다. 열 교환기의 평탄면 상에는 고정자 로우가 장착되어 사실상 열 교환기와 동일 연장선 상에 있다. 고정자 로우는 평탄면의 외주와 사실상 일치하는 외부 프레임과, 팬과 사실상 동축인 링을 갖고 있다. 다수의 방사상 고정자 베인 또는 블레이드가 링으로부터 프레임을 향해 연장되고, 이들 베인은 팬 블레이드의 피치와 상보적 관계에 있는 피치를 갖는다. 이들 고정자 베인은 공기 속도가 대체로 축방향이 될 때까지 기류를 선회시킨다. 이는 정압(static pressure)을 발생시킴으로써 소용돌이 운동 에너지를 보다 유용한 형태의 에너지로 변환시킨다. 이는 또한 코일 핀과 입사 기류 사이의 각을 최소화시킴으로써 코일 공기측 압력 손실을 감소시킨다.
고정자를 팬 방출부 바로 근처에 위치시키기보다는 오히려 코일 주위에 위치시킴으로써 소용돌이를 정압으로 변화시키기 전에 확산을 조장한다는 점에서 소용돌이를 이용할 수 있게 된다. 소용돌이는 기류를 원심분리하여 코일면 위로의 균일유동을 촉진시킨다. 이러한 확산이 최대화된 후에만, 소용돌이를 제거하여 그것을 정압으로 변환시키기 위해 고정자가 도입된다. 최대 확산이 발생하기 때문에, 유동장은 코일의 존재 및 특징적 치수에 의해 좌우된다. 그러므로, 최적 고정자는 대체로 직사각형 형태의 코일을 취하도록 구성된다.
공기 유동 회로 내의 프로펠러 팬은 유체 정압과 운동 에너지를 증대시킨다는 사실을 이해해야 한다. 팬 블레이드를 떠나는 공기 유동은 축방향 성분과 접선 성분(Vθ0) 둘 모두를 갖는 속도 벡터(VAF)를 갖는다. 접선 성분의 에너지를 회복하기 위한 조치가 전혀 행해지지 않는다면, 이러한 에너지는 궁극적으로 열로서소산된다. 즉, 소용돌이 또는 접선 성분은 유체에 작용해서 손실되는 일을 나타낸다. 접선 성분(Vθ0)이 효율적으로 회복될 수 있다면 이 접선 성분에 기인한 손실은 최소화된다. 즉, 상기 접선 성분의 변화는 정압의 증가로서 회복된다. 정지 고정자 블레이드 또는 베인들의 평탄한 배열인 고정자 로우는 이러한 성분(Vθ0)을 효과적으로 감소시킨다. 즉, 고정자 로우 내로의 공기 유동은 유동 속도(VAF)를 갖는 반면에, 고정자 로우를 떠나는 공기 유동은 상당히 더 작은 접선 성분(Vθ1)을 포함하는 속도(Vs)를 갖는다. 고정자 베인의 존재로 인한 더 적은 어떤 손실인 이들 성분(Vθ0과 Vθ1)사이의 차이는 열 교환기면에서의 정압으로의 전환을 의미한다. 다시 말해서, 이러한 전환은 정압의 증가를 나타낸다. 운동 에너지의 정압으로 전환시킴으로써 고정자가 없는 경우에는 손실되는 것을 이제 고정자 로우가 회복시키고 있기 때문에, 보다 적은 유체 일이 이전과 동일한 정압을 발생시키기 위해 요구된다. 이러한 과정을 돕는 것은 시스템의 정압 요구의 감소이다. 이러한 감소는 핀 채널과 입사 기류 사이의 감소된 각과 코일을 횡단하는 보다 균일한 공기 유동의 결과로서 얻어지는 코일 손실의 감소로부터 비롯된다. 결과적으로, 동일한 시스템에 대해서, 고정자 로우와 관련한 보다 낮은 정압 상승 팬이 고정자 없는 고압 상승 팬 대신에 이용될 수 있다. 그 결과, 소정의 공기 유동 속도를 제공하기 위해 훨씬 더 정숙한 운전과 상당히 더 적은 동력이 요구된다.
아래에 기술된 실시예와 관련하여 수행된 시험의 경우, 축 동력의 40% 감소 및 3.6dBA의 소음 감소가 PTAC의 옥외부 또는 응축기부 상의 프로펠러 팬의 고정자 로우 하방 기류 덕분에 실현될 수 있다. 이것은 실제 공기 유동 속도의 감소없이 성취될 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련하여 기술되는 본 발명의 양호한 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 보다 잘 이해될 수 있다.
도면 중 먼저 제1도를 참조하면, 패키지형 터미널 공기 조화기(PTAC) 유닛(10)은 증발기 코일(14)과, 구동축(18)상에 장착된 원심 팬(16)을 포함하는 옥내부(12)를 갖고 있다. 옥외부(20)는 응축기 코일(22)과, 구동축(18)에 의해 구동되는 프로펠러 팬(24)을 포함한다. 팬(24)은 구동축(18) 상에 장착된 허브(26)와, 허브(26)로부터 방사상으로 전개된 다수의 블레이드(28)를 갖고 있다.
보호판(30)은 팬 블레이드(28)의 선단에서 원형 구멍(32)으로 부터 코일(22)위로 연장된다. 보호판(30)은 공기를 팬(24)속으로 안내하여 그에 따라 열 교환기 코일(22)을 통과하도록 한다. 또한, 보호판은 팬을 통한 공기의 재순환 또는 루핑(looping)을 방지하는 작용도 한다.
제1A도에 도시된 바와 같이, 팬(24)으로부터의 공기 유동은 축방향이 아니라, 상당한 입사각으로 열 교환기의 핀(34)들에 부딪치도록 각을 이룬 속도 벡터(36)를 갖는다. 결과적으로, 열 교환기 표면에서, 공기 유동은 핀(34)들 사이의 통로를 통과하도록 축방향으로 휘어져야 한다. 이러한 큰 선회는 열 교환기를 통한 압력 손실을 증대시킨다.
소용돌이를 보정하기 위해, 고정자 로우(40)는 예컨대, 제2도에 도시된 바와 같이 응축기 코일(22)에 대하여 팬측에 위치되어 있다. 제3도에 도시된 바와 같이, 응축기 코일(22)의 팬을 향한 쪽의 외주와 사실상 일치하는 프레임(42)을 갖는 고정자 로우(40) 직사각형 형태를 갖는다. 팬 축심이 코일(22)에 대하여 편심을 이루기 때문에, 팬(24)은 응축기 코일(22) 면적보다 훨씬 더 적은 전방 돌출 면역을 갖는다. 또한, 이러한 기하학적 형태로 인하여, 베인 지지 링(44)은 프로펠러 팬(24)과 동축이 되도록 프레임(42)의 중앙의 한쪽에 위치된다. 적절한 수의 고정자 베인(46)들이 링(44)으로부터 외주 프레임(42)까지 외측으로 방사상으로 전개되어 있다. 이들 베인(46)중의 전형적인 것이 제4도에 도시되어 있다. 필수적이지는 않지만 양호하게는 베인(46)들은 한 쪽 단부로부터 다른 쪽 단부까지 폭과 형태가 거의 균일하고, 제5도에 도시된 바와 같이, 횡단면이 다소 활모양 또는 호형이다. 링(44)에서 베인(46)들은 필수적이지는 않지만 가능한 한 가깝게 이격되어 있다. 프레임(42), 링(44) 및 베인(46)들은 플라스틱 합성 수지로 일체식으로 성형되는 것이 양호하다. 링(44)내의 개방 지역(48)은 공기가 그를 통해 유동될 수 있게 해준다.
이러한 조립체의 작동 및 효과는 제6도 내지 제10도에 관한 다음 설명으로부터 이해될 수 있다.
150도의 블레이드 스태거(stagger)를 갖춘 무마찰 또는 이상적인 팬의 경우, 방출 기류의 소용돌이의 속도 성분에 기인한 압력 증가의 상대적인 양은 제6도에 대체로 도시된 것과 같다. 만일 소용돌이 속도 성분이 회피 또는 보정되 수 있다면 세로 좌표 상에 도시된 퍼센트까지의 양이 예컨대, 보다 높은 정압의 형태로 회복될 수 있다.
고정자 로우(40)의 보정 효과는 제7도에서 이해될 수 있다. 여기서는, 단순화하기 위해, 무마찰의 이상적인 팬과 이상적인 고정자를 가정했다. 팬 블레이드(28)는 팬의 방사상 방향으로 보았을 때 도면의 좌측으로 이동하고 있고, 도시된 바와 같이 팬 블레이드 선단 속도 벡터(UF)를 갖는다. 강제 공기 방출 속도 벡터(VRF) 즉, 팬 블레이드에 대한 속도 벡터는 도시된 바와 같이 팬 블레이드의 후미에지 방향을 따라 놓여 있지만, 절대 팬 방출 속도 벡터(VAF) 즉, 고정자 로우(46)에 대한 벡터는 벡터 VRF와 UF를 대수적으로 조합하여 얻어진다. 이러한 속도 벡터(VAF)는 방출 속도(Vθ0)의 상당한 접선 성분을 갖는다. 제7도의 우측에 도시된 바와 같이, 만일 보정되지 않는다면, 유동 속도 벡터(36)는 큰 각으로 응축기 코일 핀(34)들에 부딪히게 되어 상당한 압력 손실을 초래한다. 게다가, Vθ0은 궁극적으로 열로서 소산되는 기류에 부가된 운동 에너지를 나타낸다. 따라서, 그것은 손실을 나타낸다.
제7도의 좌측에 그래프적으로 도시된 고정자 로우(40)의 존재로 인해, 고정자 베인(46)들은 기류 속도 벡터의 방향을 변화시킨다. 베인(46)들의 피치는 팬 블레이드(28)들의 피치에 상보적이기 때문에, 도시된 바와 같이, 최종적으로 고정자 절대 방출 속도 벡터(Vs)가 된다. 이러한 속도 벡터는 비교적 작은 접선 또는 소용돌이 성분(Vθ1)을 갖는다. 유동 백터 Vθ0과 Vθ1들사이의 차이는 응축기 코일(22)면에서의 정압 이득을 나타낸다. 또한, 유동 벡터(Vs)가 축방향을 향하여 방향 변경됨에 따라, 코일(22)에 부딪히는 공기는 축방향을 따라 즉, 핀(34)들과 평행하게 거의 직접 들어감으로써, 코일(22)의 전방면에서의 와류 손실을 상당히 감소시킨다. 그러므로, 시스템의 정합 요구 역시 감소된다.
제8도에 도시된 바와 같이, 고정자 로우(46)는, 프로펠러 팬만으로 일으킬 수 있는 압력(실선 곡선)에 비하여, 프로펠러 팬과 함께 사용될 때 상당한 정압의 증가(점선 곡선)을 가져올 수 있다. 상술한 설명은 무마찰의 이상적인 팬과 무마찰의 이상적인 고정자를 가정한 것이다. 그러나, 손실은 점성 효과로 인해 소용돌이 회복과 관계가 있을 수 있다. 제9도에 도시된 바와 같이, 만일(유입 및 유출 화살표로 도시된 바와 같이) 유동 벡터의 완전한 방향 변경을 위해 회전자 베인 또는 블레이드(46')가 선택되는 경우, 고정자 블레이드 또는 베인(46')들의 표면상의 와류 영역(38)들로 인해 에너지 손실이 발생하게 된다. 일반적으로, 이러한 손실은 기류가 직선화되는 정도와 관련하여 증가한다. 결과적으로, 고정자 로우(40)로부터의 최대 이득은 제10도에 부분 회복 모드로 도시된 바와 같이 고정자 방출각 또는 유출각이 정확하게 축방향이 아닐 때 발생할 수 있다.
제10도에 그래프적으로 도시된 실시예의 경우, 소용돌이 성분의 최대 순수회복을 성취하기 위해 고정자 베인(46)은 팬 블레이드의 기하학적 형태와 관련하여 선택된 기하학적 형태를 갖고 있다. 즉, 실시예의 경우, 소용돌이 성분(Vθ1)과 고정자 베인(46)의 존재에 의해 야기되는 와류의 양자에 기인한 에너지 손실은 전체적으로 최소화된다.
상술한 특징들을 구체화하고 있는 고정자 로우(40)가 패키지식 터미널 공기 조화기 유닛의 옥외부에 합체되었을 때, 요구되는 축 동력의 사십 퍼센트 감소 및 3.6dBA의 소음 감소가 측정되었으며, 이들 양자 모두는 고정자 로우(40)에 직접 기인한 것이다.
상기에서는 하나의 양호한 실시예를 참조하여 본 발명을 기술했지만, 첨부된 청구 범위에 한정된 본 발명의 범주 및 정신을 이탈하지 않고 본원 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 다양한 수정 및 변경이 이루어 질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (3)

  1. 팬 및 고정자를 갖춘 열 교환기 조립체에 있어서, 평탄면 및 상기 평탄면에 대체로 수직으로 열 교환기를 관통하는 공기 통로를 형성하는 다수의 핀을 구비한 열 교환기 코일(22)과; 상기 열 교환기를 관통하는 축심을 갖고 상기 열 교환기 평탄면에 대면하도록 위치되며, 허브(26)와, 이 허브로부터 방사상으로 전개되고 상기 팬이 회전할 때 대체로 축방향인 유동을 공기에 부여하도록 이루어진 피치를 갖는 다수의 블레이드(18)와, 허브 및 블레이드를 회전시키기 위한 구동 수단(18)을 포함하고, 상기 유동은 원주 방향으로 소용돌이 성분(Vθ0)을 갖는 축방향 유동 프로펠러 팬(24)과; 상기 팬 및 열 교환기 위쪽에 위치되어 공기를 상기 팬 속으로 강제로 안내함으로써 상기 열 교환기 코일(22)을 통과하도록 하기 위한 보호판(30)과; 상기 열 교환기의 평탄면 상에 장착되고 상기 평탄면과 사실상 동일 연장선상에 있으며, 공기가 보다 직접적으로 열 교환기 통로 속으로 들어가도록(Vs) 상기 열 교환기의 평탄면에서의 공기 유동의 소용돌이 성분(Vθ0)을 대체로 축방향 쪽으로 휘게 하기 위해 팬 블레이드들의 피치와 상보적 관계에 있는 피치를 갖는 다수의 방사상 베인(46)을 포함하는 고정자(40)을 포함하고, 상기 고정자와 상기 팬은 상기 팬으로부터의 공기 유동이 상기 고정자에 도달하기 전에 확산될 기회를 갖도록 고정자의 두께보다 상당히 더 큰 거리만큼 이격됨으로써 상기 고정자의 소용돌이 성분을 감소시키는 것을 특징으로 하는 팬 및 고정자를 갖춘 열 교환기 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정자(40)는 상기 평탄면의 외주와 동일 연장선 상에 있는 직사각형 외부 프레임(42)과 상기 팬과 사실상 동축인 링(44)을 포함하고, 상기 고정자 베인(46)들은 상기 링(44)으로부터 상기 외부 프레임(42)까지 방사상으로 연장되는 것을 특징으로 하는 팬 및 고정자를 갖춘 열 교환기 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 팬 축은 상기 열 교환기 평탄면의 중심에 대해 한 쪽으로 상당히 치우쳐 위치해 있고, 상기 고정자에도 동일 쪽으로 대응하여 변위된 링(44)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 팬 및 고정자를 갖춘 열 교환기 조립체.
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