KR100339558B1 - 공기조화기용 축류팬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기조화기용 축류팬에 관한 것으로서, 본 발명은 모터의 회전축이 연결된 허브 및 상기 허브에 설치된 복수개의 날개를 포함하고, 상기 날개 중 상대적으로 송풍효율에는 기여하지 않으면서 소비전력 및 소음발생을 증가시키는 반경이 작은 부분이 제거되도록 날개의 면적 및 코드길이를 변경시킴으로써 열교환을 위한 충분한 풍량을 발생시키는 동시에 작동시 모터의 소비전력과 소음발생을 효과적으로 저감시켜 저소음, 고효율 팬을 구현할 수 있도록 한 것이다.

Description

공기조화기용 축류팬{AXIAL FLOW FAN FOR AIR-CONDITIONER}

본 발명은 공기조화기용 축류팬에 관한 것으로서, 특히 저소음, 고효율의 팬을 구현할 수 있도록 날개의 면적 및 코드길이와 같은 팬설계인자의 변경을 통해 상기 날개의 형상을 변화시킨 공기조화기용 축류팬에 관한 것이다.

공기조화기는 실내 공기를 항상 쾌적한 조건으로 유지할 수 있도록 흡입공기를 처리하여 건물 또는 방에 공급하는 장치로서, 크게 나누어 일체형(윈드형)과 분리형(세퍼레이트형 또는 스플릿형)이 있다.

상기한 일체형과 분리형은 기능적으로는 같지만 일체형은 냉각 방열의 기능을 일체화하여 가옥의 벽에 구멍을 뚫거나 창에 장치를 걸어서 직접 설치한 것이고, 분리형은 실내측에 냉각 장치를 설치하고 실외측에 방열 및 압축 장치를 설치하여 서로 분리된 두 장치간을 냉매 배관으로 연결시킨 것이다.

즉, 일반적인 분리형 공기조화기는 냉각기능을 수행하는 실내기와, 방열 및 압축기능을 수행하는 실외기와, 상기 실내기와 실외기를 서로 연결시키는 냉매배관으로 구성된다.

도 1은 분리형 공기조화기의 실외기 내부 구조가 도시된 투시 평면도로서, 이를 참조하면, 상기한 실외기는 실외의 공기를 흡입 및 방출시키는 축류팬(1)과, 상기 축류팬(1)에 동력을 공급하는 모터(3)와, 상기한 실내기를 통해 저온저압의 증기상태가 된 냉매를 압축시켜 고온고압의 증기상태로 변환시키는 압축기(5)와, 상기압축기(5)를 통해 고온고압의 증기상태가 된 냉매와 상기 축류팬(1)에 의해 흡입된 공기를 서로 열교환시켜 냉매를 상온고압의 액상태로 응축시킴과 동시에 공기의 온도를 상승시키는 실외열교환기(7)와, 상기한 구성요소들이 내부에 설치된 케이스(10)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 케이스(10)는 전면을 형성하는 프론트패널(11)과, 후면 및 양측면을 형성하는 리어패널(13)로 이루어지고, 상기 리어패널(13)에는 외부의 공기가 케이스(10)의 내부로 흡입되는 흡입구가 형성되어 있다.

또한, 상기 프론트패널(11)에는 케이스(10)의 내부의 공기를 외부로 토출시키는 토출구가 형성되고, 상기 토출구에는 상기 축류팬(1)에 의한 안전사고를 예방할 수 있도록 보호그릴(12)이 설치되어 있다.

상기에서, 미설명된 참조번호 4는 축류팬(1)에 의해 프론트패널(11)의 토출구로 토출되는 공기의 흐름을 안내하는 시라우드(Shroud)를 나타내고, 참조번호 6은 압축기(5)로 인한 소음을 감소시키기 위해 상기 압축기(5)의 둘레에 설치된 원통형의 흡차음재를 나타낸다.

상기와 같이 구성된 실외기에서는, 먼저 압축기(5)를 통해 압축된 냉매가 실외열교환기(7)에 공급되면 상기 실외열교환기(7)에서는 축류팬(1)에 의해 케이스(10) 내부로 흡입된 공기와 냉매 사이에 열교환이 일어나 냉매가 상온고압의 액상태로 응축됨과 동시에 공기의 온도가 상승된다. 이와 같이 온도가 상승된 공기는 상기 축류팬(1)에 의해서 다시 실외로 배출된다.

이때, 상기 축류팬(1)에 의해 유동되는 공기는 리어패널(13)의 흡입구(14)를통해 케이스(10) 내부로 흡입된 후 상기 실외열교환기(7)와 축류팬(1)을 지나 프론트패널(11)의 토출구(12)를 통해 실외로 토출된다.

상기와 같이 실외열교환기(7)에 의해 응축된 냉매는 팽창기구를 통과하면서 단열 팽창된 후, 상기한 냉매배관을 통해서 실내기로 공급된다.

이후, 상기 실내기로 공급된 냉매는 실내열교환기에서 실내팬에 의해 흡입된 공기와 열교환되어 저온저압의 증기상태로 변환되고, 이때 상기 실내열교환기를 통과한 공기는 냉매와의 열교환을 통해 온도가 감소된 후 실내로 방출되어 냉방작용을 수행한다.

상기와 같이 실내기의 실내열교환기를 통해 저온저압의 증기상태로 변환된 냉매는 상기한 냉매배관을 통해서 실외기의 압축기(5)로 다시 환원된다. 이후, 상기의 과정이 반복된다.

상기한 바와 같은 실외기의 작동을 살펴보면 회전력을 이용하여 공기의 유동을 발생시키는 축류팬(1)의 역할이 중요함을 알 수 있다. 즉, 상기 축류팬(1)은 실외열교환기(7)에 의한 냉매와 공기 사이의 열교환율을 높이기 위해서 충분한 송풍량을 확보할 수 있어야 한다. 이외에도, 상기 축류팬(1)은 소비자의 요구를 만족시키기 위해서 동일 풍량을 발생시키는 경우 모터(3)의 소비전력과 작동시 발생되는 송풍소음이 가능한 한 낮아야 한다.

상기와 같은 조건에 부합되는 팬을 만들기 위해서는 여러 가지 팬설계인자를 변경시켜 팬의 형상을 바꾸면 된다. 이때, 상기한 팬의 형상을 결정짓는 팬설계인자는 매우 많으며, 이러한 팬설계인자가 팬의 성능에 미치는 영향 또한 매우 복잡하다.

도 2 및 도 3은 축류팬의 날개 형상이 도시된 평면도 및 단면도로서, 이를 참조하면 축류팬(1)의 형상을 변경시킬 수 있는 팬설계인자에는 기본적으로 팬직경, 허브직경, 팬폭, 날개(2)의 개수 등의 외형적인 치수와 각각의 날개(2)에 대한 피치각(ψ), 최대캠버(Cmax), 스윕각(θ), 레이크 등의 기본적인 치수가 있으며, 이외에도 날개의 리딩에지(RE), 트레일링에지(TE) 및 날개팁(BT)의 곡률형상 등이 있다.

상기와 같은 팬설계인자에 의하여 형상이 결정되는 축류팬(1)에서는 날개(2) 중 상대적으로 반지름이 큰 끝단 부분의 역할이 중요하다. 즉, 상기 날개(2)의 날개팁(BT) 부분에서 대부분의 풍량이 발생된다.

그런데, 상기 축류팬(1)의 날개(2) 뒤에서 소음치(Sound intensity)를 측정한 결과가 도시된 도 4의 그래프를 살펴보면 소음은 날개(2)의 반경 방향에 상관없이 거의 일정하게 발생되고 있음을 알 수 있다.

상기와 같은 실험 결과를 통해 축류팬(1)의 날개(2) 중 반경이 작은 부분은 풍량의 증가에는 기여하지 않으면서 모터(3)의 소비전력을 증가시키는 동시에 소음을 발생시키고 있음을 알 수 있다.

따라서, 상기 축류팬(1)의 날개(2) 중 상대적으로 송풍효율에는 기여하지 않으면서 소비전력 및 소음발생을 증가시키는 반경이 작은 부분을 제거하여 저소음, 고효율을 구현할 수 있는 날개(2) 형상을 구비한 축류팬(1)을 개발할 필요가 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은, 공기조화기의실외기에 설치되는 축류팬의 팬설계인자를 변경시킴으로써 열교환을 위한 충분한 풍량을 발생시키는 동시에 작동시 모터의 소비전력과 소음발생을 효과적으로 저감시켜 저소음, 고효율 팬을 구현할 수 있도록 하는 공기조화기용 축류팬을 제공함에 있다.

도 1은 분리형 공기조화기의 실외기 내부 구조가 도시된 투시 평면도,

도 2는 축류팬의 날개가 도시된 평면도,

도 3은 축류팬의 날개 단면이 도시된 단면도,

도 4는 축류팬의 날개 뒤에서 반경 방향에 따른 소음치를 측정한 결과가 도시된 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 공기조화기용 축류팬이 도시된 평면도,

도 6은 본 발명에 따른 축류팬의 날개가 도시된 평면도,

도 7은 본 발명과 기존 축류팬의 유량계수와 정압효율의 관계가 도시된 그래프,

도 8은 본 발명과 기존 축류팬의 풍량과 소비전력의 관계가 도시된 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

51 : 허브 55 : 날개

FD : 팬직경 HD : 허브직경

BH : 날개허브 BT : 날개팁

RE : 리딩에지 TE : 트레일링에지

CP : 최대캠버위치 Cmax : 최대캠버

ψ : 피치각 θ : 스윕각

l : 코드길이 d : 날개간의 간격

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 모터의 회전축이 연결된 허브 및 상기 허브에 설치된 복수개의 날개를 포함하고, 상기 날개 중 상대적으로 송풍효율에는 기여하지 않으면서 소비전력 및 소음발생을 증가시키는 반경이 작은 부분이 제거되도록 날개의 면적 및 코드길이를 변경시킨 공기조화기용 축류팬이 제공된다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 축류팬의 날개가 도시된 평면도이고, 도 3은 축류팬의 날개 단면이 도시된 단면도이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 공기조화기용 축류팬이 도시된 평면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 축류팬의 날개가 도시된 평면도이다. 또한, 도 7은 본 발명과 기존 축류팬의 유량계수와 정압효율의 관계가 도시된 그래프이고, 도 8은 본 발명과 기존 축류팬의 풍량과 소비전력의 관계가 도시된 그래프이다.

도 2 및 도 3과 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 공기조화기용 축류팬은 모터의 회전축이 연결된 허브(51)와, 상기 허브(51)에 설치된 복수개의 날개(55)를 포함한 것으로서, 팬직경(FD), 허브직경(HD), 날개(55)의 개수와 최대캠버위치(ψ) 및 스윕각(θ), 코드길이(l), 날개간의 간격(d)과 같은 팬설계인자들을각각 최적의 조건으로 변경하여 팬의 효율이 증가될 수 있도록 되어 있다.

상세하게는, 상기 팬직경(FD)은 380±2㎜ 또는 400±2㎜이고, 상기 허브직경(HD)은 100±2㎜이며, 상기 날개(55)의 개수는 4개이다.

또한, 상기 날개(55)의 최대캠버위치(CP)는 리딩에지(RE)에서 트레일링에지(TE) 방향으로 코드길이(l)의 0.7±0.02의 지점에 위치되도록 날개허브(BH)에서 날개팁(BT)까지 일정하게 분포되어 있다.

여기서, 상기 코드길이(l)는 리딩에지(RE)와 트레일링에지(TE)를 연결한 직선 상의 거리이고, 상기 최대캠버위치(CP)는 코드길이(l)로부터 날개(55)가 가장 멀리 떨어진 지점의 위치이며, 이때의 상기 코드길이(l)와 날개(55) 사이의 거리가 최대캠버(Cmax)이다.

또한, 상기 날개(55)의 최대캠버비는 2개의 2차원 포물선이 조합된 형태로 분포되어 있다.

이때, 상기 허브(51)의 중심을 기준으로 하는 상기 날개(55)의 반경 방향의 좌표 R을 날개허브(BH)에서의 반경 Rh에서 날개팁(BT)에서의 반경 Rt까지의 거리로 무차원화시킨 좌표를 r이라고 하면, 상기 최대캠버비는 r=0인 날개허브(BH)에서는 0.02±0.01이고, r=1인 날개팁(BT)에서는 0.04±0.015이며, r=0.6∼0.75인 날개(55)의 중간에서는 0.05±0.02로 최대값을 갖는다.

여기서, 상기 최대캠버비는 최대캠버(Cmax)와 코드길이(l)의 비이고, 상기 r은 (R-Rh)/(Rt-Rh)이다. 또한 R은 Rh < R < Rt이다.

또한, 상기 날개(55)의 스윕각(θ)은 0<r<0.5인 경우에는 39∼41°로 일정하게 유지되고, 0.5≤r<0.975인 경우에는 r에 대하여 2차 함수로 증가하여 날개팁(BT)에서 46∼50°가 되도록 형성되어 있다.

여기서, 상기 스윕각(θ)은 날개허브(BH)의 중심이 수직축과 일치된 상태에서 상기 날개허브(BH)의 중심과 날개팁(BT)의 중심을 서로 연결한 직선이 수직축과 이루는 각을 나타낸 것으로서, 상기 날개(55)가 앞쪽으로 얼마나 치우치게 형성되는가를 의미한다.

또한, 상기 날개(55)의 리딩에지(RE)와 트레일링에지(TE)의 경계면은 도 6에 도시된 바와 같이 날개(55)의 코드길이(l)가 감소되는 방향으로 변경되어 날개(55)의 익면적을 감소시키게 된다. 이는 날개(55) 중 상대적으로 팬의 송풍효율에는 기여하지 못하면서 소비전력 및 소음발생을 증가시키는 반경이 작은 부분을 제거하기 위함이다.

상기와 같이 리딩에지(RE)와 트레일링에지(TE)의 경계면이 변경된 날개(55)의 코드길이(l)는 하기의 수학식 1과 같다.

또한, 본 발명의 축류팬을 정면에서 보았을 때 4개의 날개(55) 사이의 간격(d)은 하기의 수학식 2와 같다.

상기의 수학식 1과 수학식 2에서 a=158.2, b=77이고, 단위는 ㎜이다. 또한, 상기 코드길이(l)는 r>0.975인 경우에는 날개팁(BT) 형상의 사소한 변화에 따라 다양하게 변화될 수 있다.

또한, 본 발명의 축류팬은 팬직경(FD)이 380㎜보다 큰 경우에는 팬직경(FD)이 380㎜인 지점까지는 Rt=190㎜로 고정하여 상기의 r을 계산함으로써 날개(55)의 형상을 결정하고, 팬직경(FD)이 380㎜ 이상인 부분, 즉 r>1인 부분에서는 팬직경(FD)이 380㎜일 때의 값들을 그대로 연장하여 사용한다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 축류팬과 기존의 축류팬을 서로 비교하기 위하여 실험을 행하면 도 7과 도 8의 그래프를 얻을 수 있다. 이때, 도 7의 그래프는 동일 유량계수(φ) 대비 정압효율(ηs)을 실험한 결과로서, (a)는 본 발명의 축류팬에 의한 결과이고, (b)는 기존의 축류팬에 의한 결과이다. 또한, 도 8의 그래프는 동일 풍량 대비 소비전력을 실험한 결과로서, (a)는 본 발명의 축류팬에 의한 결과이고, (b)는 기존의 축류팬에 의한 결과이다.

상기의 도 7 및 도 8을 살펴보면, 본 발명에 의한 축류팬이 기존의 축류팬보다 정압효율(ηs)이 뛰어나 송풍효율이 향상됨은 물론, 동일한 풍량을 발생시킬 때 소모되는 소비전력이 약 5W 정도 저감됨을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 공기조화기용 축류팬은, 날개(55)의 면적 및 코드길이(l)와 같은 팬설계인자의 변경을 통해 상기 날개(55)의 형상을 변화시킴으로써 열교환을 위한 충분한 풍량을 발생시키는 동시에 작동시 모터의 소비전력과 소음발생을 효과적으로 저감시켜 저소음, 고효율 팬을 구현할 수 있는 이점이 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시 및 설명하고 있으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 의해 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 모터의 회전축이 연결된 허브 및 상기 허브에 설치된 복수개의 날개를 포함하고, 상기 허브의 중심을 기준으로 하는 상기 날개의 반경 방향의 좌표 R을 날개허브에서의 반경 Rh에서 날개팁에서의 반경 Rt까지의 거리로 무차원화시킨 좌표를 r이라고 할 때,

   상기 날개의 코드길이 l은

   이고, 상기 날개간의 간격 d는

   이며, 상기한 r=(R-Rh)/(Rt-Rh), Rh < R < Rt, a=158.2, b=77인 것을 특징으로 하는 공기조화기용 축류팬.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 날개의 개수는 4개이고, 팬직경은 380±2㎜ 또는 400±2㎜이며, 허브직경은 100±2㎜인 것을 특징으로 하는 공기조화기용 축류팬.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 날개는 최대캠버위치가 리딩에지에서 트레일링에지 방향으로 코드길이의 0.7±0.02의 지점에 위치되고, 스윕각이 0<r<0.5인 경우에는 39∼41°로 일정하게 유지되고 0.5≤r<0.975인 경우에는 r에 대하여 2차 함수로 증가하여 날개팁에서 46∼50°가 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 공기조화기용 축류팬.