KR100402987B1 - 팬의 임펠러로 흡입 공기를 유입하기 위한 흡입 파이프 메커니즘 - Google Patents

팬의 임펠러로 흡입 공기를 유입하기 위한 흡입 파이프 메커니즘 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 팬의 흡입 파이프 내측 '임펠러 전방 영역'에서 발생하는 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 의한 에너지를 적절하게 제어하므로 달성되는 팬의 축 동력의 감소 및/또는 팬 임펠러에 의한 압력 상승의 증가에 의해 팬 효율을 개선하는 것이고, 흡입 파이프 내측 임펠러 근방 위치에서 기류의 개선에 의한 팬 소음을 감소하는 것이다. 본 발명은 바이패스 유니트(5)의 일부로 흡입 파이프(2)의 특정 영역, 공기가 통과하여 흐를 수 있고 흡입 파이프(2) 외측 폐쇄된 분할 영역을 형성하는 유체실(3), 및 흡입 파이프(2)에 폐쇄된 분할 영역을 연결하기 위한 연락 통로(4)를 구성하는 임펠러(1) 내로 흐르는 공기에 의해 발생되는 에너지를 제어하는 임펠러 상류에 배치된 바이패스 유니트(5)에 관한 것이다.

Description

팬의 임펠러로 흡입 공기를 유입하기 위한 흡입 파이프 메커니즘{SUCTION PIPE MECHANISM FOR INTRODUCING SUCTION AIR INTO AN IMPELLER OF A FAN}
다양한 기술적 착상을 통하여 펌프 및/또는 팬의 임펠러로 흐르는 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 기술이 연구되어 왔다. 예를 들어, 1997년 6월 15일 4판으로 수수무 테라다(Susumu TERADA)에 의해 저술된 '원심류 펌프용 설계와 제도'(리코 토쇼 컴퍼니 리미티드 발행) 36쪽과 66쪽 내지 71쪽, 1964년 7월 30일 5판으로 타케부미 이쿠이(Takebumi IKUI)에 의해 저술된 '원심류 및 축류 팬 및 압축기'(아사쿠라 쇼텐 컴퍼니 리미티드 발행) 222쪽 내지 225쪽, 그리고 1998년 8월 25일 타케부미 이쿠이(Takebumi IKUI)와 마사히로 이노우에(Masahiro INOUE)에 의해 저술된 '터보 팬과 압축기'(코로나 컴퍼니 리미티드 발행)는 흡입 파이프 내측 '임펠러의 전방 영역'에 배치된 플레이트 또는 원통형 배플 플레이트(baffle plate)가 임펠러 내부로 흐르는 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 없애도록 하는 것을 나타내고 점점 가늘어지는 흡입 파이프가 흡입되는 공기의 예선회(豫旋回)에 따른 나쁜 영향을 감소시키는 것을 설명하고 있다.
흡입 공기의 예선회(豫旋回) 발생 장치의 일반적인 이론은 다음과 같이 설명된다: 어떠한 원인으로 펌프 및/또는 팬의 흡입 파이프 내측 '임펠러의 전방 영역'에 발생된 역류(나선형 소용돌이)는 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 발생시킨다. 그런 중요한 이론에 따르면 상기 언급된 개념은 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 따른 에너지를 합리적으로 제어하기 위한 현실적인 구조를 제공하는 연구가 이루어지지 않았다.
1957년 에이. 제이. 스테파노프(A.J.STEPANOFF)에 의해 저술된 '원심류 및 축류 펌프 2판'(존 윌리손스 인코포레이티드 발행) 38쪽 내지 42쪽과 1979년 11월 12일 에.제이. 스테파노프에 의해 저술되고 켄사쿠 이마이치 등에 의해 번역된 '펌프 및 송풍기'(산요 토쇼 컴패니 리미티드 발행) 1판 78쪽 내지 101쪽에 따르면, 임펠러 내측에 흐르는 공기의 예선회(豫旋回) 기계장치는 아래와 같이 설명된다.
펌프 또는 팬의 흡입 파이프 내측 '임펠러의 전방 영역'에서 예선회(豫旋回)는 최소 저항 법칙에 따라 발생된다. 예선회(豫旋回)의 회전 방향은 예선회(豫旋回)가 임펠러 날개가 직접적으로 공기에 힘을 전송하는 것에 의해 발생되는 것이 아니기 때문에 팬 임펠러의 방향에 대해 언제나 일정한 것은 아니다. 예선회(豫旋回)는 일반적인 설계유량 보다 적은 유량으로 작동 할 때 일펠러의 회전방향과 동일한 방향으로 접선속도를 갖고, 한편 일반적인 설계량 보다 더 큰 용량으로 작동 할 때 임펠러의 회전방향에 반대 방향으로 접선속도를 갖는다. 예선회(豫旋回)는 역류에 의해 발생되는 것이 아니기 때문에 흡입 파이프 내측 '임펠러의 전방 영역'에서 발생되는 역류(나선 소용돌이)는 예선회(豫旋回)의 결과로 인한 것이다.
본 발명의 첫 번째 목적은 팬의 흡입 파이프에서 발생되는 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하고, 팬의 축 동력 감소 및/또는 팬의 임펠러에 의한 압력상승(수두)의 증가에 의해 팬 효율을 증가하기 위한 바이패스 유니트를 제공하는 것이고, 이것은 상기 설명된 스테파노프의 이론에 따른 팬의 흡입 파이프 내측 '임펠러의 전방 영역'에서 발생하는 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 의한 에너지를 합리적으로 제어함에 의해 성취된다. 그리고 두 번째 목적은 임펠러에 대한 폐쇄 인접 영역에서 흡입 파이프 내측에 공기 흐름을 개선하는 것이다.
본 발명
본 발명은 팬의 임펠러로 흡입 공기를 유입하기 위해 흡입 파이프가 설치된 팬의 유입구에 장착된다. 도 1을 참조하여 보면, 본 발명은 폐쇄된 공간 영역을 형성하는 유체실(3)이 흡입 파이프(2)의 '임펠러 전방 영역' 외측에 배치되고 유체실(3)과 흡입파이프(2) 사이를 연결하기 위해 셋 이상 연락 통로가 흡입 공기의 흐름 방향을 따라 제공되어 흡입 파이프(2)에서 유체실(3)로 연락 통로(4)를 통해 공기압을 전송하고 반대로 유체실(3)에서 다시 연락 통로(4)를 통해 흡입 파이(2) 안에 공기를 유입하도록 하여 유체실(3)과 연락통로(4)에 의해 흡입 파이프(2)의 바이패스 루트(route)가 형성되게 하여 흡입공기 중 일부가 바이패스류(5a)(도 8참조)을 일으키도록 하는 것을 특징으로 한다.
도 2를 참조하면, 유체실(3)은 흡입 파이프(2) 외측에 설치되는 상자(3A)이고, 연락통로(4)는 상자(3A)와 흡입 파이프(2)를 연결하는 관(4A)이다. 예를 들어, 도 13에 도시된 것과 같이 원통형 공간(3B)이 흡입 파이프(2) '임펠러 전방 영역'둘레에 형성된 경우에, 원통형으로 폐쇄된 공간(3B)과 흡입 파이프(2)를 분할하는 흡입 파이프(2)의 둘레 벽(2m)에 천공된 구멍(4B)은 연락 통로(4)로 이용된다.
도 3과 같이, 흡입 파이프(2)의 '임펠러의 전방 영역'은 흡입 공기의 흐름 방향을 따라 다른 내경을 갖는 n개 원통부(21, 22, ...., 2n-1및 2n)와 상기 원통부와 연결을 위해 잘린 원뿔부(2a1, 2a2, ....., 2an-2및 2an-1)를 포함하고, 여기서 최대 내경은 dMAX로 주어지고 최소 내경은 DMIN으로 주어지며, 잘린 원뿔부의 축 길이는 B1(I=1,2,3, .... 및 n-1일 때)이고, 원심류 팬(11)(도 4a 참조)이 날개(1A1)의 임펠러 축(1a)을 따라 흡입 파이프의 측에 측면 플레이트를 제공하지 않는 경우, 임펠러 날개(1A1)의 흡입 파이프의 측면에 위치된 측면 끝에 있는 날개의 유입단부(Pa1)가 배출단부(Pa2) 보다 흡입 파이프에 더 가까울 때 날개의 유입단부(Pa1)에 상응하는 임펠러 축에 있는 일 위치(ZPa)는 임펠러 축(1a)을 따라 기준 위치로 선택되고 기준 위치(ZPa)에서 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트(5)의 상부 위치까지 길이는 Z1으로 정의되고, 기준 위치(ZPa)에서 하부 위치까지 길이는 Z2로 정의는 경우에는, 본 발명은 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 조절하기 위한 바이패스 유니트(5)와 임펠러(1) 사이의 위치상 관계가 이하 방정식에 의해 이루어진다.
Z1≤2·dMAX＋ΣBi및 0.03·dMIN≤Z2＜Z1,
또한 dMAX＞100mm 및 dMIN＞100mm인 경우에는
0.4·dMIN＜Z1-Z2이고,
dMAX≤100mm인 경우 및/또는 dMAX＞100mm 및 dMIN≤100mm인 경우에는
40mm＜Z1-Z2이다.
도 4b에 도시된 것과 같이 원심류 팬(11) 날개(1A1)의 임펠러 축(1a)을 따라 흡입 파이프의 측면에 측면 플레이트가 없고 날개(1A1)의 흡입 파이프 일측에 위치되는 측면 끝에 있는 날개의 배출단(Pb2)이 임펠러 축(1a)을 따라 유입단(Pb1) 보다 흡입 파이프에 더 가까운 경우, 상기 언급된 기준 위치는 날개들의 배출단(Pb2)에 상응하는 임펠러 축에 있는 위치(ZPb)로 지정된다. 한편, 도 4c에 도시된 것과 같이 측면 플레이트(1p)가 흡입 파이프의 측면에 있는 원심류 팬(11)의 날개(1A1)에 고정되고, 주 플레이트(1q)가 흡입 파이프의 반대 측면에 있는 날개에 고정되며, 입구 링(1m)이 측면 플레이트에 설치되는 경우에 기준 위치는 입구 링(1m)의 최상 위치에 상응하는 임펠러 축(1a)에 있는 위치(ZPc)로 지정된다.
축류 팬의 경우는 아래와 같다: 도 5a에 도시된 것과 같이, 상기 언급된 기준 위치는 날개들의 뿌리(Pd1)가 임펠러 축(1a)을 따라 날개끝(翼端 : tip)(Pd2) 보다 흡입 파이프에 더 가까운 경우 축류 팬(12)의 날개(1A2) 하단(1c)에 있는 뿌리(Pd1)에 상응하는 임펠러 축 위에 위치(ZPk)로 지정되고, 도 5b에 도시된 것과 같이 날개끝(翼端 : tip)(PE2)이 임펠러 축(1a)을 따라 뿌리(Pe1) 보다 흡입 파이프에 더 가까운 경우에는 날개끝(翼端 : tip)(Pe2)에 상응하는 임펠러 축위의 위치(ZPe)로 지정된다.
혼합류형 팬(mixed flow fan)의 경우는 다음과 같다: 도 6a에 도시된 것과 같이 측면 플레이트가 혼합류형 팬(mixed flow fan)(13)의 임펠러 날개(1A3) 날개끝(翼端 : tip)에 제공되지 않고 날개들의 상단에 날개끝(翼端 : tip)(Pf2)이 임펠러 축(1a)을 따라 뿌리(Pf1) 보다 흡입 파이프에 더 가까운 경우, 기준 위치는 날개끝(翼端 : tip)(Pf2)에 상응하는 임펠러 축 위의 위치(ZPf)로 지정된다. 그리고 도 6b에 도시된 것과 같이, 뿌리(Pg1)가 임펠러 축(1a)을 따라 날개끝(翼端 : tip)(Pg2) 보다 흡입 파이프에 더 가까운 경우에 기준 위치는 뿌리(Pg1)에 상응하는 임펠러 축 위에 위치(ZPg)로 지정된다. 한편, 도 6c에 도시된 것과 같이 입구 링(1n)이 임펠러 날개(1A3)의 끝에 고정된 측면 플레이트(1r)에 부착되는 경우에는 기준 위치는 입구 링(1n)의 최상 위치에 상응하는 임펠러 축(1a) 위에 위치(ZPh)로 지정된다.
본 발명에 따르면, 바이패스 루트는 유체실과 연락통로에 의해 형성되어 공기압이 연락통로를 통해 흡입 파이프와 유체실 사이에 전송될 수 있고 흡입 공기의 일부에서 바이패스류의 발생을 일으키는 공기는 또한 그 안에 유입될 수 있다.
따라서, 팬의 흡입 파이프 내측 '임펠러의 전방영역'에서 발생된 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 의한 에너지는 적절하게 조절될 수 있고, 그러므로 팬 효율은 팬의 축력의 감소 및/또는 팬 임펠러에 의한 압력 상승의 증가에 의해 증가될 수 있다. 한편, 팬 소음은 흡입 파이프 내측 임펠러 인접부 위치에서 공기 흐름을 개선함으로 감소될 수 있다.
유체실은 흡입 파이프 외측에 위치된 상자이고 연락통로가 흡입 파이프에 상기 상자를 연결하는 관인 경우에 그들은 이미 제조된 팬들에 또한 설치될 것이다. 팬의 팬 효율이 개선될 수 있을 뿐 아니라 팬 소음이 감소될 수 있다. 물론, 흡입 파이프의 '임펠러 전방영역' 둘레에 형성된 밀폐된 원통형 공간이 유체실로 사용되고 밀폐된 원통형 공간과 흡입 파이프를 분할하는 흡입 파이프의 주변 벽에 천공된 구멍이 연락통로로 채택되는 경우에 있어서도 상기 언급된 효과를 나타내는 팬은 치밀하게 만들어질 수 있다.
청구범위 제 4 항에서 설명되어지는 것과 같이 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위해 바이패스 유니트의 상부 위치로 설명된 기준 위치로부터 길이를 조절하고 하부 위치로 언급된 기준위치로부터 길이를 조절하는 것은 본 발명의 효과를 증대하고 팬의 설계를 위한 유용한 지표를 제공한다.
본 발명이 다른 핑거(finger) 및/또는 다른 형태의 팬으로 날개를 제공하는 경우에 청구범위 제 5 항에 따른 선택은 각각 팬의 기준 위치를 명확히 제공하고 다양한 팬 설계를 위한 충분한 정보를 제공하도록 할 것이다.
본 발명은 팬의 임펠러로 흡입 공기를 유입하기 위한 흡입 파이프 메커니즘에 관한 것으로, 특히, 팬의 효율을 증대하고 팬의 소음을 감소하기 위해 예를 들어 원심류형, 축류형 및 혼류형의 팬 임펠러 내로 흐르는 공기의 예선회(豫旋回 : prerotation)를 제어하기 위한 흡입 파이프 메커니즘에 관한 것이다. 여기서, 예선회(豫旋回)란 팬에서 회전하는 날개차의 영향 등으로 유체가 흡입관 속으로 날개차 입구에 도달하기까지 유기(誘起)되는 선회(旋回) 운동을 말한다.
도 1은 본 발명에 따른 팬의 흡입 파이프 내측 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 조절하기 위한 바이패스 유니트에서 흡입 파이프 내측 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선 속도에 의한 에너지를 효과적인 일로 전환하기 위한 '기능'의 메커니즘을 나타내는 모델도 이다.
도 2는 팬의 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트가 구체적으로 제공된 실시예 E로 일 원심류 팬의 사시도 이다.
도 3은 흡입 파이프의 내경이 일반적으로 표시되는 해석용 모델도 이다.
도 4는 원심류 팬의 기준 위치를 나타내는 도면으로 (a)는 날개들의 흡입 파이프의 측면에 위치한 측면 끝에 있는 날개들의 유입 단부가 측면 플레이트와 입구 링이 날개들의 임펠러 축을 따라 흡입 파이프의 측면에 날개들과 함께 제공되지 않는 경우에 임펠러 축을 따라 배출 단부 보다 흡입 파이프에 더 가까운 것을 도시하는 모델이고, (b)는 배출 단부가 임펠러 축을 따라 유입 단부 보다 흡입 파이프에 더 가까운 것을 도시하는 모델이고, (c)는 흡입 파이프의 일 측에 입구 링이 날개들에 고정된 측면 플레이트에 부착된 경우를 도시하는 모델이다.
도 5는 축류 팬의 기준 위치를 도시하는 도면으로, (a)날개들의 상단에 뿌리가 임펠러 축을 따라 날개끝(翼端 : tip) 보다 흡입 파이프에 더 가까운 것을 도시하는 모델이고, (b)는 날개끝(翼端 : tip)이 임펠러 축을 따라 뿌리 보다 흡입 파이프에 더 가까운 것을 도시하는 모델이다.
도 6은 혼합류형 팬(mixed flow fan)의 기준 위치를 도시하는 도면으로, (a)는 임펠러 날개들의 상단에 날개끝(翼端 : tip)이 측면 플레이트와 입구 링이 날개들과 함께 제공되지 않는 경우 임펠러 축을 따라 뿌리 보다 흡입 파이프에 더 가까운 것을 도시하는 모델이고, (b)는 뿌리가 임펠러 축을 따라 날개끝(翼端 : tip) 보다 흡입 파이프에 더 가까운 것을 도시하는 모델이고, (c)는 흡입 파이프 일 측에 입구 링이 날개들에 고정된 측면 플레이트에 부착된 경우를 도시하는 모델이다.
도 7은 도관 시스템이 팬의 유입구 측에 설치된 경우 '기능(a)'을 나타내기 위한 바이패스 유니트가 없는 모델도 이다.
도 8은 도관 시스템이 팬의 유입구 측에 설치된 경우 '기능(a)'을 나타내기 위한 바이패스 유니트를 갖는 모델도 이다.
도 9는 도관 시스템이 팬의 유입구 측에 설치되지 않고 흡입 파이프가 대기에 개방된 경우 기능(a)을 나타내기 위한 바이패스 유니트가 없는 모델도 이다.
도 10은 도관 시스템이 팬의 일 측에 설치되지 않고 흡입 파이프가 대기에 개방된 경우 '기능(a)'을 나타내기 위한 바이패스 유니트를 갖는 모델도 이다.
도 11은 도관 시스템이 팬의 유입구 측에 설치되고 흡입 파이프가 곧고 상당히 긴 경우 팬의 축력이 유효 일로 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선 속도에 따른 에너지의 변환에 의해 감소되는 이유에 대해 '기능(b)'을 나타내기 위한 바이패스 유니트가 없는 모델도 이다.
도 12는 도관 시스템이 팬의 유입구 측에 설치되고 흡입 파이프가 곧고 상당히 긴 경우 '기능(b)'을 나타내기 위한 바이패스 유니트를 갖는 모델도 이다.
도 13은 팬의 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위해 바이패스 유니트가 구체적으로 적용된 실시예 A로 일 축류 팬의 사시도 이다.
도 14는 팬의 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위해 바이패스 유니트가 구체적으로 적용된 실시예 B로 일 원심류 팬의 사시도 이다.
도 15는 팬의 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위해 바이패스 유니트가 구체적으로 적용된 실시예 C로 일 원심류 팬의 사시도 이다.
본 발명에 따른 팬의 흡입 파이프에 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트는 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 몇몇 도면을 참조하여 설명된다. 도 2는 본 발명에 따른 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트가 임펠러(1) 안으로 흡입공기를 유입하기 위해 흡입 파이프(2)의 '임펠러 전방 영역'에 제공된 원심류 팬(11)의 사시도를 나타낸다.
폐쇄된 공간영역을 형성하는 유체실(3)은 흡입 파이프(2)의 '임펠러 전방 영역' 외측에 설치되고, 흡입 공기의 흐름 방향을 따라 배치된 다수의 연락통로(4)의 수단에 의해 흡입 파이프(2)와 연결된다. 적어도 세 개의 연락통로가 이하 설명되는 흡입공기의 흐름 방향을 따라 제공된다. 도 2에서 폐쇄된 공간영역을 형성하는 유체실(3)은 흡입 파이프(2) 외측에 설치되는 상자(3A)이다. 이러한 실시예에 있어서, 연락통로(4)들은 흡입 파이프(2)에 상자(3A)를 연결하는 관(4A)들 이다.
그런 메카니즘은 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트(5)를 제공하고, 일부 흡입공기에 바이패스류를 일으킨다. 구체적으로 연락통로(4)는 공기압을 흡입 파이프(2)에서 유체실(3)로 전송하고, 공기압을 유체실(3)에서 다시 흡입 파이프(2)로 유입시킨다. 흡입 파이프(2)를 바이패스 시키기 위한 다수의 통로는 유체실(3)과 흡입공기의 흐름 방향을 따라 배치된 연락통로(4)가 결합되어 형성된다.
흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트(5)와 임펠러(1) 사이의 관련 위치의 관계는 도 3의 모델에서 규정된 부호 Z1과 Z2로 나타내어진다. 도면에 표시된 화살표(21)는 임펠러(1) 안으로 흐르는 흡입공기의 방향을 나타낸다.
흡입 파이프(2)의 '임펠러 전방 영역'의 전체적인 실시예가 설명되었다. 이것은 흡입공기의 흐름 방향을 따라 다른 내경을 갖는 원통부(21, 22, ....., 2n-1및 2n)와 상기 원통부를 연결하기 위한 잘린 원뿔부(2a1, 2a2, ....., 2an-2및 2an-1)를 구성한다.
원통부(21, 22, ....., 및 2n)의 내경은 d1, d2, ....., 및 dn이고, 여기서 최대 내경을 dMAX그리고 최소 내경을 dMIN이라 하고, 잘린 원뿔부(2a1, 2a2, ....., 및 2an-1)의 축상 길이를 Bi(i=1,2,3, ... 및 n-1)이라 하며, 이하 설명되는 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트(5)의 상류 위치에 대한 기준 위치(ZP)로부터 길이를 Z1이라 하고, 바이패스 유니트(5)의 하류에 대한 기준 위치(ZP)로부터 길이를 Z2라 하면, 바이패스 유니트(5)와 임펠러(1) 사이 위치관계는 바람직하게 아래 방정식을 만족한다.
Z1≤2·dMAX＋∑Bi......(a)
0.03·dMIN≤Z2＜Z1......(b)
바이패스 유니트(5)의 상류 위치는 원통부(21)에 설치된 연락통로(41)의 개구(4d1)의 중간에 상응하고, 바이패스 유니트(5)의 하류 위치는 원통부(2n)에 설치된 연락통로(4n)의 개구(4dn)의 중간에 상응한다. 팬의 기준위치(ZP)는 임펠러 축을 따라 흡입 파이프의 일 측면에 있는 날개단의 위치를 지시하고, 이것은 입구 링이 임펠러의 측면 플레이트에 고정된 경우 임펠러축을 따른 입구 링의 최상류의 위치를 의미한다. 물리학적으로 이것은 기류가 임펠러 내에 임펠러 날개에 의해 직접적으로 압력이 일정하게 유지되는 위치를 의미한다. 기준 위치(ZP)가 이하에서 상세히 설명되는 것처럼 이것은 모든 종류의 팬과 다르다.
상기 언급된 방정식(a)에서, Z1은 Z1가 2·dMAX＋∑Bi보다 큰 경우에는 본 발명에서 언급된 흡입 공기의 예선회(豫旋回)가 거의 발생되지 않기 때문에 2·dMAX＋∑Bi보다 적거나 같게 선택된다. 물론, 발명자는 본 발명이 2·dMAX＋∑Bi보다 큰 조건하에서 효과가 없음을 이미 확인했다.
부가적으로, 방정식(b)에서 Z2의 하한계는 흡입 파이프와 바이패스를 위한 효과 영역에 대한 임펠러(1)의 가장 인접한 위치는 임펠러 내로 흐르는 공기의 각속도가 감소하도록 가능한 한 짧아야 하므로 0.03·dMIN이다. 한편, 발명자는 만약 이것이 Z1보다 더 작다면, 이하 언급되는 방정식(C,D)을 만족할 만큼 긴 큰 값을 가질 수 있다는 것을 또한 확인했다. 반대로, 만약 Z2가 0.03·dMIN보다 작다면, Z2는 기준 위치(ZP)에 매우 가까울 것이고, 결과적으로 이것은 이하 언급되는 임펠러 내로 흐르는 공기가 임펠러 날개에 의해 압력이 일정하게 유지되지 않는 임계위치인 흡입 파이프 교차위치(Z3)의 맞은편 측면에 위치될 것이다.
상기 언급된 것과 같이 흐름 조건은 본 발명에 있어서는 필수적이다. 발명자에 의해 수행된 많은 실험은 이것이 아래 방정식을 만족하는 바이패스 유니트와 임펠러 사이 위치 관계에 있어서 중요했다는 것을 증명했다. dMAX＞100mm 이고 dMIN＞100mm인 경우에는
0.4dMIN＜Z1-Z2................... (c)
이고,
dMAX≤100mm 및/또는 dMAX＞100mm 이고 dMIN≤100mm인 경우에는
40mm＜Z1-Z2.................... (d)
이다.
이들 조건은 고유 영역을 갖는 바이패스 유니트를 실현하고 바이패스류를 발생하도록 하기 위한 본 발명의 일부이다.
상기 설명은 다양한 내경을 갖는 흡입 파이프(2)로 일반적인 실시예를 나타낸다. 흡입 파이프의 '임펠러 전방 영역'이 흡입 공기의 흐름 방향을 따라 일정한 내경(d0)(도 1참조)을 갖는 원통형인 경우, 이것은 dMAX= dMIN= d0및 Bi= 0이 될 것이고, 따라서 상기 언급된 방정식(a,b)들은 아래와 같이 단순하게 공식화 된다;
Z1≤2·d0................... (a') 이고
0.03·d0≤Z2＜Z1................... (b') 이다.
그리고 아래 조건이 흡입 공기의 예선회(豫旋回)와 제어하기 위한 바이패스 유니트(5)와 임펠러(1) 사이에 위치상 관계로 부가된다. d0＞100mm인 경우에
0.4·d0＜Z1-Z2................... (c')
이고,
d0≤100mm인 경우에
40mm＜Z1-Z2................... (d')
이다.
이하는 상기 방정식(a',b',c')에 구체적인 값이 주어진 실시예들이다.
(i) d0=200mm의 흡입 파이프의 경우에
Z1≤400,
6.0≤Z2및
80＜Z1-Z2이다.
(ii) d0=150mm의 흡입 파이프의 경우에
Z1≤300,
4.5≤Z2및
60＜Z1-Z2이다.
상기 언급된 방정식을 만족하는 Z1과 Z2의 적절한 값이 선택되면, 표1 (A)에 나타낸 조합은 (i)의 경우로 주어지고 표1 (B)에 나타낸 조합은 (ii)의 경우로 주어진다. (밀리미터 단위)
(A)
d0 Z1 Z2 Z1- Z2
200 400 319200150100506 81200250300350394
300 219100506 81200250294
200 119506 81150194
100 196 8194
(B)
d0 Z1 Z2 Z1- Z2
150 300 239200150100505 61100150200250295
200 139100505 61100150195
100 395 6195
이하는 또한 상기 방정식(a',b',c')에 구체적인 값이 주어진 실시예들 이다.
(iii) d0=100mm의 흡입 파이프의 경우에
Z1≤200,
3.0≤Z2및
40＜Z1-Z2이다.
(iv) d0=50mm의 흡입 파이프의 경우에
Z1≤100,
1.5≤Z2및
40＜Z1-Z2이다.
상기 언급된 방정식을 만족하는 Z1과 Z2의 적절한 값이 선택되면, 표 2(A)에 나타낸 조합은 (iii)의 경우에 주어지고 표 2(B)에 나타낸 조합은 (iv)의 경우에 주어진다. (밀리미터 단위)
(A)
d0 Z1 Z2 Z1- Z2
100 200 159100503 41100150197
100 59303 417097
500 93 4147
(B)
d0 Z1 Z2 Z1- Z2
50 100 59302 417098
50 92 4148
도 2에 도시된 원심팬의 경우에 임펠러 축(1a)을 따라 입구 링(1m)의 최상류 위치(ZPc)는 측면 플레이트(1p)가 흡입 파이프의 측면에 있는 원심류 임펠러의 날개(1A1)들에 고정되고, 주 플레이트(1q)가 흡입 파이프의 반대 측면에 있는 날개에 고정되며, 입구 링(1m)이 도 4c에 도시된 것과 같이 측면 플레이트(1p)에 부착되면, 상기 언급된 기준 위치(ZP)로 선택된다.
팬은 회전 임펠러(1) 뿐 아니라 임펠러의 상류 측에 있는 흡입 파이프(2)와 같이 제공된다. 그런 두 수단이 있는 한, 팬의 임펠러 안으로 흐르는 공기의 예선회(豫旋回)의 발생은 불가피하다. 따라서, 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 의한 에너지를 적절하게 제어하도록 임펠러(1)와 흡입 파이프(2) 사이에 위치적 관계가 상기 설명된 공식화된 구성에 의해 적용되는 것이 필요하다. 본 발명은 필수적으로 세 가지 수단 즉, 임펠러(1), 흡입 파이프(2) 및 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 유니트의 조화로 구성된다.
본 발명 시스템은 임펠러(1) 안으로 흐르는 공기의 에너지를 제어하기 위한 바이패스 유니트이고, 이것은 임펠러 상류에 위치된다. 본 발명 바이패스의 구성은 그의 일 부분으로 흡입 파이프의 고유 영역을 포함하고, 흡입 파이프(2) 외측에 공기가 흐르도록 하는 폐쇄된 분할 영역으로 제공된다. 이후 설명된 도 1에서 도시된 것과 같이, 유체실(3)로 폐쇄된 분할 영역과 흡입 파이프(2)는 연락 통로(4)에 의해 연결된다. 세 개 이상 연락 통로(4)가 흡입 파이프(2) 내에 공기의 흐름 방향을 따라 제공되므로 다수의 바이패스 통로는 정해진다.
본 발명에서 유니트는 이하 두 문제를 고려하는 것이 바람직하다: (1) 바이패스를 위한 효과 영역은 팬 임펠러에 대한 관련 위치의 관계를 나타내도록 '임펠러 전방 영역'에서 흡입 파이프의 직경과 잘린 원뿔부의 축상 길이에 의한 수적인 제한에 의해 조절된다. (2) 폐쇄된 분할 영역과 연락 통로에 의해 형성된 흡입 파이프의 다수 바이패스 루트는 설치되어야 한다. 이유는 이하 설명되는 [기능(a)]에서 나타내어질 것이다. 어째든, 각 연락 통로는 폐쇄된 분할 영역과 흡입 파이프에서 유체실로 공기압을 전송하여 역으로 다시 흡입 파이프로 공기를 유입하기 위해 통로를 가져야 할 필요가 있다.
본 발명을 이해하기 위해 이하 문제들이 고려되어야 한다: 첫 째는 흡입 파이프(2) 내측에 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 의한 에너지를 효과일로 전환하기 위한 메카니즘을 이해하는 것이다. 두 째는 팬의 축력이 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 의한 에너지가 효과일로 전환함에 의해 감소되는 이유를 이해하는 것이다. 세 째는 팬의 임펠러에 의한 압력 상승(압력 수두)이 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선 방향을 구성하는 속도의 감소에 의해 증가되는 이유를 이해해야 하는 것이다. 마지막은 팬 소음이 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트의 설치로 감소될 수 있는 이유를 질적으로 설명하는 것이다. 상기 언급된 네 가지 문제는 각각 [기능(a)] 내지 [기능(d)]의 항목으로 이하에서 설명된다.
각 항목은 아래에서 처럼 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트가 설치된 실시예와 설치되지 않은 실시예를 비교함으로 설명된다:
[기능(a)] 흡입 파이프(2) 내에 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선 속도에 의해 에너지를 효과일로 전환하기 위한 메카니즘에 관해:
도 7과 도8은 팬의 유입구 측에 도관 시스템이 제공된 실시예이고, 그 것에 연결된 흡입 파이프(2)는 곧고 적당한 길이이다. 도 7은 바이패스 유니트가 없는 실시예이고 도 8은 바이패스 유니트를 갖는 실시예이다. 도 9와 도 10은 팬의 유입구 측에 도관 시스템이 설치되지 않는 실시예이고, 그 곳에 설치된 흡입 파이프(2)는 셔츠(shirt)이고 대기에 개방된다. 도 9는 바이패스 유니트가 없는 실시예이고 도 10은 바이패스 유니트가 설치된 실시예이다.
일반적인 설계유량과 떨어져 팬의 안정된 구동 하에 임펠러(1) 내로 흐르는 공기는 임펠러 상류 위치(Z0)(도 9와 도 10에 Z0≒Z1로 추정됨)에서 예선회(豫旋回)의 각속도를 갖기 시작하고, 흡입 공기의 예선회(豫旋回)는 그에 따라 임펠러에 인접부 위치(Z3)에서 각속도(ω3)를 갖는 결과로 가속된다. 임펠러에 인접한 위치(Z3)는 임계위치를 의미하고 여기서 임펠러 안으로 흐르는 공기는 임펠러 날개들에 의해 직접적으로 압력이 유지되지 않고, 위치(Z3)는 상기 언급된 기준 위치(ZP)에 매우 근사한 값이다.
도 8과 도 10에서 도시된 ω3'은 이하 설명되는 방정식(5)에 보이는 것 처럼 바이패스를 위한 Z1내지 Z2의 효과 영역에서 접선 속도 성분의 반을 손실한 공기가 임펠러에 인접한 부근에서 Z2내지 Z3의 영역에서 각 가속도의 효과를 얻으므로 Z3의 위치에 가지는 각 가속도(ω3')를 의미한다. Z0에서 ω3을 연결하는 직선의 기울기는 ω2'에서 ω3'을 연결하는 직선의 기울기와 같다는 것이 가정된다.
도 8은 Z0과 Z3사이의 거리에 있어서 도 10과 필연적으로 다르다. 그런 차이는 Z0과 ω3을 연결하는 직선의 다른 기울기를 주고, Z1의 위치에서 예선회(豫旋回)의 각속도(ω1)와 Z2의 위치에서 예선회(豫旋回)의 각속도(ω2)에 영향을 주며, 더욱이, Z2과 Z3의의 거리 차에 따른 Z3의 위치에서 예선회(豫旋回)의 각속도(ω3')에 영향을 준다.
상기 언급된 각속도(ω1)는 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트가 없는 경우 위치(Z1)에서 발생된 예선회(豫旋回)의 각속도 이고, 각속도(ω1')은 위치(Z1)에서 발생된 예선회(豫旋回)의 각속도 이며, 이것은 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트(5)에 의한 바이패스류(5a)에 의해 감소된다. 유사하게, 각속도(ω2)는 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트가 없는 경우 위치(Z2)에서 발생된 예선회(豫旋回)의 각속도 이고, 각속도(ω2')는 위치(Z2)에서 발생된 예선회(豫旋回)의 각속도 이며, 이것은 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트(5)에 의한 바이패스류(5a)에 의해 감소된다. 게다가, 각속도(ω3)는 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트가 없는 경우 위치(Z3)에서 발생된 예선회(豫旋回)의 각속도 이고, 각속도(ω3')는 위치(Z3)에서 발생된 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 각속도 이며, 이것은 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트(5)에 의한 바이패스류(5a)에 의해 감소된다.
도 7과 도 9에 나타낸 것처럼, 역류(31)(와류)는 바이패스 유니트가 없는 경우에 흡입 파이프의 내측 벽 근방에서 발생한다. 도 8과 도 10에 나타낸 것처럼, 역류(원심류)와 같은 바이패스류(5a)는 바이패스 유니트가 있는 경우 공기가 흐르도록 하는 폐쇄된 분할 영역을 통해 발생된다. 그런 메카니즘은 아래와 같은 도 8과 도 10에 나타낸 바이패스 유니트를 갖는 모델의 수단에 의해 나타낸다:
흡입 파이프(2)에서 예선회(豫旋回)는 임펠러(1)의 에너지에 의해 접선속도가 증가되기 때문에 강제되는 와선운동이다. 마츄키 이타야에 이해 1994년 2월 15일 저술된 '수리학' 14판 73쪽 내지 75쪽에 따르면, 강제된 와선운동에 압력 에너지의 일반적인 방정식은 아래와 같다:
P=ρ·u2/2＋ρ·u2/2
우측의 첫 번째 문자는 동적 압력의 에너지를 의미하고, 두 번째는 원심력에 의한 정압 에너지를 의미한다. 여기서 ρ는 공기의 밀도이고, u는 강제된 와선운동의 접선속도 이며, 따라서, P=ρ·u2이다.
전술한 에이.제이.프테파노프에 의해 저술된 '원심 및 축류 펌프 2판' 40쪽에 따르면, 흡입 공기의 예선회(豫旋回) 범위 흡입 파이프의 내벽 근방 원심력에 의한 정압은 ＋ρ·u2/2·1/2이고, 흡입 파이프의 중앙 근방 원심력에 의한 정압은 -ρ·u2/2·1/2이다. 결과적으로, 두 정압의 총합은 아래와 같다:
＋ρ·u2/2·1/2-(-ρ·u2/2·1/2)=＋ρ·u2/2
도 8과 도 10의 바이패스 유니트(5)에서, 강제된 와선운동 처럼 예선회(豫旋回)에 의한 모든 압력 에너지에 전달압력 에너지는 ＋ρ·u2/2·1/2=ρ/4·u2인 원심력에 의한 정압이다. 그러므로, 흡입 파이프의 내 벽에 바이패스 유니트에 의해 전송되는 예선회(豫旋回)에 의한 정압은 아래와 같이 나타낸다: 도 8과 도 10에 나타낸 위치(Z1)에서 전송되는 정압(P1)은 ρ/4·u1 2이고, 위치(Z2)에서 전송된 정압(P2)은 ρ/4·u2 2이다.
흡입 파이프(2)의 직경이 파이프의 축 위에 어떤 위치(Z)에 일정하다고 가정하면, 흡입 파이프의 중앙에서 내측 벽까지 반경은 r0에 의해 나타내지고, 위치(Z1)에서 예선회(豫旋回)의 각속도는 ω1로 나타내어지며, 위치(Z2)에서 각속도는 ω2로 나타내어지고, 이것은 u1=r0·ω1이고 u2=r0·ω2가 될 것이다. 더욱이, P1과 P2는 아래와 같이 설명된다:
P1=ρ·(r0·ω1/2)2................... (1)
P2=ρ·(r0·ω2/2)2................... (2)
도 1은 도 8과 도 10에 도시된 바이패스 유니트의 상세한 모델도를 나타낸다. 도면에서 r0는 흡입 파이프의 중앙에서 내벽 까지의 반경이고, Pc는 바이패스 유니트의 폐쇄된 분할영역에 정압이고, P1은 위치(Z1)에서 전송된 정압이고, P2는 위치(Z2)에서 전송된 정압이고, S1은 위치(Z1)에서 바이패스 유니트의 개방부의 영역이고, S2는 위치(Z2)에서 바이패스 유니트의 개방부의 영역이고, v1은 바이패스 유니트의 개방부에서 위치(Z1)에 흡입 파이프 안으로 흐르는 공기의 속도이고, v2는 흡입 파이프에서 위치(Z2)에 바이패스 유니트의 개방부 안으로 흐르는 공기의 속도이다.
1997년 9월 1일 '야시마나 푸루야 등에 의해 저술된 '유체역학 엔지니어링' 19판(아사쿠라 컴패니 리미티드 발행) 34쪽과 35쪽은 아래 문제를 나타낸다: 바이패스 유니트의 폐쇄된 분할 영역에 공기로 전송된 정압에 의한 일의 총량은 바이패스 유니트의 폐쇄된 분할 영역에 공기의 운동에너지의 변화와 같다.
상기 언급된 문제는 아래와 같이 공식이 된다: 바이패스 유니트의 폐쇄된 분할 영역에서 공기로 전송된 정압에 의한 단위시간당 일의 총량은 W로 표시된다.
W=(P2-Pc)·S2·v2＋(P1-Pc)·S1·(-v1)
=P2·S2·v2-Pc·S2·v2-P1·S1·v1＋Pc·S1·v1
S2·v2=S1·v1는 연속 방정식에 따라 주어지기 때문에, 이것은 W=(P2-P1)·S1·v1이 될 것이다. 바이패스 유니트의 폐쇄된 분할영역에서 공기의 운동에너지의 단위시간당 변화는 E로 표시되고, 공기의 밀도는 ρ로 표시되며, 아래 방정식을 얻는다.
E=1/2·ρ·S1·v1·v1 2-1/2·ρ·S2·v2·v2 2
=1/2·ρ·S1·v1·(v1 2-v2 2)
E=W 이면, 아래 방정식을 얻는다.
1/2·ρ·S1·v1·(v1 2-v2 2) = (P2-P1)·S1·v1
아래 방정식(3)은 상기 언급된 방정식으로부터 얻는다.
1/2·ρ·v1 2= (P2-P1)＋1/2·ρ·v2 2........... (3)
아래 방정식(4)는 방정식(3)을 대신하여 방정식(1,2)를 사용하여 얻는다.
1/2·ρ·v1 2= 1/4·ρ·r0 2·(ω2 2-ω1 2)＋1/2·ρ·v2 2
v1 2= 1/2·r0 2·(ω2 2-ω1 2)＋v2 2................. (4)
방정식(4)은 예선회(豫旋回)에 의한 정압 에너지가 바이패스 유니트에서 공기의 운동 에너지로 변환될 수 있다는 것을 나타낸다.
흡입 파이프의 중앙에서 내벽까지 반경은 방정식(4)를 얻기위해 파이프의 축 어떤 위치(Z)에서 일정하게 되도록 처리된다. 다음 도 3에 도시된 것과 같이 위치(Z)에 따라서 반경이 다른 경우는 아래와 같다: 위치(Z1)의 반경은 r1으로 표시되고, 위치(Z2)의 반경은 r2로 표시되고, r1＞r2으로 가정한다면, 1/2·(r2 2·ω2 2-r1 2·ω1 2)의 값은 ω1＜ω2으로 가정되기 때문에 언제나 절대적이지 않다.
다른 말로, 그런 조건에서 바이패스 유니트는 공기의 운동에너지로 예선회(豫旋回)에 의한 정압의 에너지 변환을 언제나 확실하게 할 수 없다. 그러므로, 팬의 흡입 파이프(2)에 '임펠러 전방영역'에서 잘린 원뿔부(2a1, 2a2, ..., 2an-1)인 점차로 감소되는 직경을 갖는 연락부의 길이는 바이패스를 위한 효과 영역으로 간주될 수 없다.
이하 설명은 기술분야에서 확립되지 않은 새로운 개념인 본 발명에 따른 기술적 창조에 기초한 것이다. 바이패스를 위한 효과영역에서 예선회(豫旋回)를 수반하는 공기의 작용은 아래와 같이 여겨진다: 흡입 파이프와 내벽 사이 거리와 같은 반경(r0)의 위치에서 바이패스 유니트의 폐쇄된 분할 영역에서 공기로 전송되는 정압은 ρ/4·r0 2·ω2이고, 여기서 ω는 예선회(豫旋回)의 각속도 이다. 정압의 에너지는 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도 없이는 나타나지 않기 때문에, ρ/2·r0 2·ω2인 예선회(豫旋回)로 공기의 접선속도의 운동에너지는 ρ/4·r0 2·ω2의 정압이 바이패스 유니트의 폐쇄된 분할 영역에서 공기에 작용하는 일에 의해 나타나지 않을 것이다.
예선회(豫旋回)로 공기의 접선속도에 의한 총 에너지는 내측 흡입 파이프의 중앙에서 내벽까지 반경(r0)의 위치에서 필연적으로 ρ·r0 2·ω2이고, 아래 방정식에서 나타내는 것과 같이 접선속도에 의한 에너지는 예선회(豫旋回)를 수반하는 공기에서 유지되는 것으로 여겨진다.
(1-1/4-1/2)·ρ·r0 2·ω2=ρ/4·r0 2·ω2
따라서, 아래 설명되는 두 방정식을 얻을 수 있다. 방정식의 물리학상의 의미는 아래와 같다: 예선회(豫旋回)의 각속도가 흡입 파이프의 내측 반경에 대한 위치(r=r0)에서 실질적으로 관측되지 않을 수 있다 하더라도, 방정식(5)은 ω/2의 각속도에 기초한 것에 상응하는 에너지를 잠재적으로 갖는다면 접선속도의 성분을 갖는 공기가 실제로 존재하는 것을 나타낸다.
ρ/4·r0 2·ω2= ρ·r0 2·(ω/2)2................... (5)
ρ/4·r0 2·ω2= ρ·(r0/2) ·ω2................... (6)
한편, 방정식(6)은 예선회(豫旋回)의 각속도(ω)에 의해 나타나는 접선방향으로 속도성분을 갖는 공기가 흡입 파이프의 내측 반경 r=r0/2 위치에서 존재하고, 접선방향으로 속도 성분을 갖지 않는 공기는 흡입 파이프의 내측 반경 r0/2＜r≤r0의 영역에 존재한다. 실질적으로 관측되는 것은 방정식(6)에 따른 표현 상태이다.
이상을 개괄하면, 흡입 파이프의 내측 반경 0≤r≤r0/2의 영역에 바이패스를 위한 효과영역에 예선회(豫旋回)를 수반하는 기류는 원래 각속도(ω)를 갖는 기류이고, 흡입 파이프의 내측 반경 r0/2＜r≤r0의 영역에 방정식(4)으로 표현되는 임펠러(1)의 방향으로 속도(v1)를 갖는 기류는 각속도 없이 발생된다.
흡입 파이프의 내측 반경 0≤r≤r0/2의 영역에 접선방향으로 속도성분을 갖는 기류가 있기 때문에, 접선속도에 의해 상승하는 정압은 흡입 파이프의 내측 반경 r=r0/2 위치의 근방에서 나타난다. 따라서, 바이패스 유니트의 개구(4d1)로부터 초기 속도(v1)로 흡입파이프 안으로 흐르는 공기의 방향은 공기가 공기 쿠션에 충돌되면 임펠러의 방향으로 결국 바뀐다. 흡입 파이프의 내측 반경 r=r0/2 위치의 근방에서 상승하는 정압은 초기 속도를 갖는 공기가 흡입 파이프의 중앙 방향으로 흐름에도 불구하고 공기가 초기 속도의 방향을 유지하는 것을 막기 때문이다.
이미 설명된 메카니즘에 따라서, 흡입 파이프 내측 '임펠러 전방영역'에서 발생된 예선회(豫旋回)와 함께 공기의 접선속도(방적식(4)에 공식화된)에 의한 일부 에너지는 엠펠러(1)가 공기 상에서 작용하는 효과 일로 변환될 수 있다. 유사하게, 방정식(5)에 따라서 예선회(豫旋回)를 수반하는 공기는 초기 각속도의 반을 손실하는 공기로 바뀔 수 있다.
이들 기능을 효과적으로 실현하기 위해, 즉, 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트의 모든 효과영역에서 상기 언급된 기능을 완벽하게 수행하기 위해서 이하 조건이 요구된다. 공기압을 전송하고 공기를 유입하도록 하는 바이패스 통로는 공기가 팬 임펠러 방향으로 흐르는 바이패스 유니트의 일부를 구성하는 흡입 파이프의 모든 바이패스 효과영역 전체에 일정하게 제공되어야 한다. 그러므로, 이것은 폐쇄된 분할영역과 연락통로에 의해 형성된 하나가 아닌 다수의 바이패스 통로가 어떤 바이패스 흐름을 나타내는 도 8과 도 10에 도시된 것과 같이 흡입 파이프에 제공되어야 하는 것으로 이해된다.
다수의 바이패스류(5a)는 흡입 공기의 흐름 방향을 따라 설치된 셋 이상의 연락통로(4)에 의해 발생된다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 바이패스류는 하류 측에 있는 연락구멍들 중 하나를 지나 상류 측에 있는 둘 이상의 연락구멍들을 통해 지날 수 있고, 물론 하류 측에 있는 연락구멍들 중 둘 이상을 지나 상류 측에 있는 하나의 연락구멍을 통해 지날 수도 있다. 일반적으로 바이패스 통로는 제공되어 바이패스류가 상기 언급된 것과 같이 일정하게 발생될 수 있다. 즉, 바이패스 공기가 하류 측에 있는 몇몇 연락구멍을 통해 유체실(3)로 흐를 수 있고 하류 측에 있는 몇몇 연락구멍을 통해 흡입 파이프로 흐를 수 있다. 그러므로, 일정한 바이패스류는 단지 두 개의 연락구멍이 흡입공기의 흐름 방향을 따라 설치된 경우에는 이루어질 수 없다.
[기능(b)] 팬의 축력이 효과일로 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 의한 에너지의 변환에 의해 감소되는 이유에 관해:
도 11과 도 12는 팬의 유입구 측에서 도관 시스템을 제공하는 실시예이고, 거기에 연결된 흡입 파이프(2)는 곧고 적당히 길다. 도 11은 바이패스 유니트가 없는 실시예이고, 도 12는 바이패스 유니트가 있는 실시예이다. 도면에서 ZD는 임펠러의 방향으로 흐르는 공기의 속도가 0일 때 위치이고, Z3은 임펠러에 인접한 위치이고, Z1F는 바이패스를 위한 효과영역 바로 전 위치이고, Z1B는 바이패스를 위한 효과영역 바로 뒤 위치이고, VD는 공기가 흡입 파이프 내측에 임펠러 쪽으로 흐르는 위치(ZD)에서 기류의 평균 속도이고, V3는 공기가 흡입 파이프 내측 임펠러(1) 쪽으로 흐르는 위치(Z3)에서 기류의 평균 속도이고, VF는 공기가 흡입 파이프 내측 임펠러 쪽으로 흐르는 위치(Z1F)에서 기류의 평균 속도이고, v1는 위치(Z1B)에서 기류의 속도이고, 이들의 방향은 도 1에서 위치(Z1)에서 기류의 속도(v1)와 동일한 상태로 흡입 파이프 내로 바이패스 유니트의 개구부로부터 흐른 뒤에 임펠러의 방향으로 바뀌며, 여기서 공기는 흡입 파이프 내로 바이패스 유니트의 개구부로부터 흐른다.
1979년 9월 1일 요시마사 푸루야 등에 의해 저술된 '유체역학 엔지니어링' 1판 19번째 간행(아사쿠라 컴패니 리미티드 발행) 34쪽과 35쪽에 따르면, 이하 문제를 가르친다: 임펠러가 위치(ZD,Z3) 사이에서 기류에 작용하는 일의 총량은 위치(Z3)에서 공기의 운동 에너지와 위치(ZD)에서 공기의 운동 에너지의 차와 같다.
도 11에서 도시하는 모델에서, 임펠러가 공기에 작용하는 일의 총량은 E6으로 표시되고, 도 12에서 도시하는 모델에서 임펠러가 공기에 작용하는 일의 총량은 E7로 표시되며, 따라서 이하 방정식에서 ΔE는 바이패스 유니트를 갖는 상태에서 임펠러가 공기에 작용하는, 다른 말로 임펠러를 작동하기 위한 팬의 축력(fan shaft power)의 감소량과 같은 상태인 일의 감소를 나타낸다.
ΔE=E6-E7................... (7)
상기 언급된 문제들은 아래와 같이 공식화된다: ρ는 공기의 밀도이고, Q는 흡입 파이프를 통해 흐르는 공기의 단위시간당 용량이고, Q1은 위치(Z1B)에서 속도(v1)를 갖는 공기의 용량이며, 이 방향은 바이패스 유니트의 개구부에서 흡입 파이프로 흐른 뒤에 임펠러의 방향으로 변하고, Q2는 Q로부터 Q1을 뺀 후 공기의 용량이다.
E6= 1/2·ρ·Q·V3 2-1/2·ρ·Q·VD 2
상기 정의에 따르면, Vd=0이고, 그러므로 아래 방정식이 얻어진다.
E6= 1/2·ρ·Q·V3 2................... (8)
E7은 위치(ZD)와 위치(Z1F) 사이 범위 그리고 위치(Z1B)와 위치(Z3) 사이 범위에서 각각 다루어진다.
E7= [1/2·ρ·Q·VF 2- 1/2·ρ·Q·VD 2]＋[1/2·ρ·Q·V3 2- (1/2·ρ·Q1·v1 2＋1/2·ρ·Q1·VB 2)]
상기 정의에 따르면, VD=0이고, 따라서 아래 방정식이 얻어진다.
E7＝1/2·ρ·Q·VF 2＋1/2·ρ·Q·V3 2
－1/2·ρ·Q1·V1 2－1/2·ρ·Q2·VB 2............... (9)
아래 방정식은 방정식(7) 대신에 방정식(8,9)으로 주어진다.
ΔE = 1/2·ρ·Q·V3 2- 1/2·ρ·Q·VF 2- 1/2·ρ·Q·V3 2
＋ 1/2·ρ·Q1·v1 2＋ 1/2·ρ·Q2·VB 2
= 1/2·ρ·Q1·v1 2＋ 1/2·ρ·Q2·VB 2- 1/2·ρ·Q·VF 2
상기 정의에 따르면, Q=Q1＋Q2이고, 따라서 아래 방정식이 얻어진다.
ΔE = 1/2·ρ·Q1·(v1 2- VF 2) ＋ 1/2·ρ·Q2·(VB 2- VF 2) ... (10)
도 10에 도시된 것과 같이 흡입 파이프(2)가 대기에 개방된 조건하에서, 기류의 용량(Q1) 영역에서 Vf≒0이고 기류의 용량(Q2) 영역에서 VB≒VF이므로, 방정식(10)은 ΔE = 1/2·ρ·Q1·v1 2이 된다. 따라서, 방정식(4)에 의해 표현된 속도를 갖는 공기의 모든 운동 에너지의 소멸은 팬의 축력 감소의 원인이 된다.
[기능(c)] 팬의 임펠러에 의한 압력 상승이 왜 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선 방향에서 속도 성분의 감소에 의해 증가되는 이유에 관해:
1979년 9월 1일 요시마사 푸루야 등에 의해 저술된 '유체역학 엔지니어링' 1판 19번째 간행(아사쿠라 컴패니 리미티드 발행) 249쪽 내지 253쪽에 따르면, 팬의 임펠러 수단에 의한 압력 상승이 ΔP로 나타내어질 때 아래 일반적인 방정식을 나타낸다.
ΔP = 1/2·ρ·(U3 2- U0 2) - 1/2·ρ·(W3 2- W0 2) ........... (11)
여기서 ρ는 공기의 밀도이고, U0은 임펠러관의 유입구 바로 앞 기류의 접선속도 이고, U3은 임펠러관의 배출구 바로 뒤 기류의 접선속도 이고, W0은 유입구 바로 앞 임펠러관을 따라 흐르는 공기의 상대속도 이고, W3은 배출구 바로 뒤 임펠러관을 따라 흐르는 공기의 상대속도이다. 기류(U3)의 어떤 일정 용량에서 팬이 구동하는 경우에, W3과 W0은 예선회(豫旋回)가 임펠러관의 바로 입구 뒤에서 발생하던 하지 않던 간에 일정한 것으로 여겨진다.
다음, 임펠러관의 바로 입구 앞 예선회(豫旋回)에 의한 접선속도가 다양한 경우에는 다음과 같이 여겨진다: 방정식(11)의 관점에서 팬이 어떤 일정한 용량에서 구동되는 한, U0의 값은 더 작고, 팬 임펠러에 의한 압력상승(ΔP)은 더 크다는 것은 명백하다. 즉, 팬의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위해 바이패스 유니트에서 예선회(豫旋回)로 기류의 각속도가 반으로 감소된 후에 접선방향에 속도요소는 더 작게 되고, 팬 임펠러에 의한 압력 상승은 더 크게 된다.
[기능(d)] 흐름의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트에 따른 팬소음 감소의 정성적 해석에 관해:
흐름의 예선회(豫旋回) 제어를 위한 바이패스 유니트가 도 7과 도 9에 도시된 것과 같이 검토되는 경우: [기능(a)]에 설명된 것과 같이, 흐름의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 의한 정압의 영향에 따라, 흡입 파이프의 중앙 근방 팬 임펠러에 의해 야기되는 부압(負壓)영역(negative pressure field)에서의 부압(負壓 : negative pressure)은 더 많이 높아진다.
반대로, 부압(負壓)영역(negative pressure field)에서의 부압(負壓)은 흡입 파이프의 내벽 근방에서 더 낮아진다. 흡입 파이프에서 임펠러 쪽으로 흐르는 공기는 흡입 파이프의 중앙 근방에서 높은 부압에 따라 더욱 가속되기 때문에, 이것은 임펠러관의 입구 바로 앞에서 높은 속도를 갖게된다. 다른 한편, 공기는 낮은 부압을 위해 흡입 파이프의 내벽 근방에서 높게 가속되지 않기 때문에, 이것은 또한 임펠러관의 입구 바로 전에 단지 낮은 속도를 갖는다. 결과적으로, 임펠러관의 바로 입구 전에 공기는 임펠러의 중앙 근방에서 과도하게 모이고, 상기 공기는 임펠러관에 들어갈 수 없어 거기에 머물며, 임펠러의 중앙 근방에서 흐름의 정체를 일으킨다. 이것은 그런 작용이 팬소음에 난류 소음을 증진시키는 것으로 여겨질 수 있다.
이에 반하여, 도 8과 도 10에 도시된 것과 같이 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트(5)에서, 그런 바이패스 유니트는 상기 언급된 어떤 작용을 억제하도록 하고, 흡입 파이프의 부압 영역에서 비교적 일정한 압력 영역을 발생시킨다. 그러므로, 임펠러(1) 쪽으로 흐르는 공기는 임펠러관의 입구 바로 앞에서 비교적 일정한 속도를 일으키고, 이것은 어떤 지점에서 과도하게 모이지 않는다. 따라서, 공기는 정체되지 않고 임펠러관으로 부드럽게 흐르고, 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트 수단에 의한 임펠러관의 입구 바로 앞에서 기류의 증가는 난류 소음의 발생을 방지한다.
상기 설명된 원심류 팬에서, 도 4(a)에 나타낸 ZPc는 입구 링이 흡입 파이프의 일 측 날개에 고정된 측면 플레이트에 부착된 경우 기준 위치(ZP)로 선택된다. 측면 플레이트가 원심류 팬의 임펠러 축을 따라 흡입 파이프의 일 측 날개에 고정되지 않으면, 다음 기준점이 선택된다. 물론 상기 언급된 방정식(a,b,c,d)은 본 발명의 기술적 사상에 따르는 경우 직접적으로 응용될 수 있고, 이것은 또한 본 발명에 의해 확립된다.
도 4a에 도시된 것과 같이, 원심류 임펠러 날개(1A1)들의 흡입 파이프 일 측에 위치된 측 단에 날개의 입구단(Pa1)이 임펠러 축(1a)을 따라 배출단(Pa2) 보다 흡입 파이프에 더 가까운 때, 날개들의 입구단(Pa1)에 상응하는 임페러 축에 위치(ZPa)는 기준 위치로 선택된다. 다른 한편, 도 4b에 도시된 것과 같이, 배출단(Pb2)이 임펠러 축(1a)을 따라 입구단(Pb1) 보다 흡입 파이프에 더 가까울 때, 배출단(Pb2)에 상응하는 임펠러 축에 위치(ZPb)는 기준 위치로 선택된다.
도 5a에 도시된 것과 같이 축류팬(12)의 경우에, 축류 임펠러 날개(1A2)들의 하단(1c)에 뿌리(pd1)가 임펠러 축을 따라 날개끝(翼端 : tip)(pd2) 보다 흡입 파이프에 더 가까울 때, 뿌리(pd1)에 상응하는 임펠러 축은 기준 위치로 선택된다. 다른 한편, 도 5b에 도시된 것과 같이, 임펠러 날개(1A2)의 하단(1c)에 날개끝(翼端 : tip)(pe2)이 임펠러 축(1a)을 따라 뿌리(pe1) 보다 흡입 파이프에 더 가까울 때, 날개끝(翼端 : tip)(pe2)에 상응하는 임펠러축에 위치(ZPe)는 기준 위치로 선택된다.
혼합류형 팬(mixed flow fan)의 경우에, 도 6c에 도시된 것과 같이 측면 플레이트(1r)가 혼류임펠러의 날개(1A3)의 끝에 고정되고 입구 링(1n)이 측면 플레이트(1r)에 부착되면, 입구 링(1n)의 최 상류 위치에 상응하는 임펠러 축에 위치(ZPh)는 기준 위치로 선택된다.
도 6a에 도시된 것과 같이 날개 날개끝(翼端 : tip)에 측면 플레이트가 없는 혼합류형 팬(mixed flow fan)의 경우에, 임펠러 날개(1A3)들의 상단(1d)에 날개끝(翼端 : tip)(Pf2)이 임펠러 축(1a)을 따라 뿌리(Pf1) 보다 흡입 파이프에 더 가까울 때, 날개끝(翼端 : tip)(Pf)에 상응하는 임펠러 축에 위치(ZPf)는 기준 위로 선택된다. 다른 한편, 도 6에 도시된 것과 같이 임펠러 날개들의 상단(1d)에 뿌리(pg1)가 임펠러 축을 따라 날개끝(翼端 : tip)(Pg2) 보다 흡입 파이프에 더 가까울 때, 뿌리(Pg1)에 상응하는 임펠러 축에 위치(ZPg)는 기준 위치로 선택된다.
상기 설명된 실시예에서, 도 1을 참조하면, 폐쇄된 분할 영역을 형성하는 유체실(3)은 흡입 파이프(2)의 외측에 설치된 상자(3A)이고 연락통로(4)는 상자를 흡입 파이프에 연결하는 관(4A)들 이다. 그런 유체실과 연락통로들 대신에 도 13 내지 도 15에 도시된 것과 같이, 흡입 파이프(2)의 '임펠러 전방 영역' 둘레에 형성된 원통형 폐쇄실(3B)은 폐쇄된 분할 영역을 형성하는 유체실(3)로 적용할 수 있고, 원통형 폐쇄실과 흡입 파이프를 분할하는 흡입 파이프의 주변벽(2m)에 천공된 구멍(4B)들은 결과적으로 같은 효과를 나타내는 연락통로(4)로 적용할 수 있다.
원통형 폐쇄실이 유체실로 사용된 경우에, 이것은 새로이 제조된 팬에 설치를 고려하여 설계될 것이다. 다른 한편, 도 2에 도시된 것과 같이 바이패스 유니트가 상자(3A)와 관(4A)들을 구성하는 경우에, 그들은 또한 이미 작동되는 팬에 유용하게 이용할 수 있다. 유체실과 같은 원통형 폐쇄실을 나타내는 도면들을 참조하면, 물론 이것은 흡입 공기의 흐름 방향을 따라 배열된 셋 이상 연락통로를 가질 수 있다. 부가적으로, 원통형 폐쇄실의 완곡면에 연락통로를 구성하는 다수열의 배치는 바이패스 유니트에 따른 효과를 증진할 것이다. 그러므로, 도 2에서는 흡입파이프에 연결하는 관이 일렬(一列)로 되어 있는데, 셋 이상으로 된 연락통로의 열(列)을 다수 배치할 수도 있다.
상기 설명된 것과 같이, 바이패스 통로는 유체실과 연락통로 수단에 의해 설치되어 공기압의 전송과 공기의 유입이 연락통로를 통해 흡입 파이프와 유체실 사이에 유지될 수 있다. 그것에 의하여, 흡입 공기의 일부에서 발생된 바이패스류는 팬의 '임펠러 전방영역'에 유입된 흡입 공기의 예선회(豫旋回)의 접선속도에 따른 에너지를 적절하게 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 팬의 축력의 감소와 팬 임펠러에 의한 압력 상승의 증가는 증진되어 팬 효율은 2% 내지 9% 향상될 수 있고, 흡입 파이프 내측 '임펠러 전방영역'에 기류의 제어는 1.5dB 내지 4dB의 팬 소음 감소를 이룰 수 있다. 팬 소음 감소에 관련한 구체적인 실시예는 아래와 같이 설명된다: 부수적으로 2dB의 감소는 팬 내부의 경우에 소음의 감소를 현저하게 한다.
표 3은 도면 부호를 참조하여 팬의 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트가 구체적으로 제공된 A 내지 E의 실시예의 주요사항을 나타낸다.
예 관련도면부호 팬의 종류 임펠러의외경(mm) 임펠러의회전속도(rpm) 구동모터의출력(KW) 예선회 제어를 위한 바이패스 유니트의효과영역 상류 상황
A 도 13 축류형 Φ290 2,960 0.4 대기에 개방
B 도 14 원심형 Φ365 3,520 3.7 대기에 개방
C 도 15 원심형 Φ540 2,950 3.7 대기에 개방
D (도 15) 원심형 Φ540 2,950 3.7 길이2.5m,직경250mm의 곧은 도관
E 도 2 원심형 Φ540 2,950 3.7 길이2.5m,직경250mm의 곧은 도관
D는 곧은 도관이 도 15에 도시된 것과 같이 흡입 파이프에 연결된 실시예이고, 거기서 도면은 도 15로부터 돌출될 수 있기 때문에 생략된다.
표 4는 도면 부호를 참조하여 팬의 흡입 공기의 예선회(豫旋回)를 제어하기 위한 바이패스 유니트가 구체적으로 제공된 A 내지 E의 실시예의 구체적인 결과를 나타낸다.
예 관련도면의번호 팬의 종류 팬효율차 팬소음차 예선회 제어를 위한 바이패스 유니트의효과영역 상류 상황
A 도 13 축류형 2 -3.5 대기에 개방
B 도 14 원심형 8.9 -2 대기에 개방
C 도 15 원심형 6.6 24 대기에 개방
D (도 15) 원심형 4.5 -2.5 길이2.5m,직경250mm의곧은 도관
E 도 2 원심형 2.5 -1.5 길이2.5m,직경250mm의곧은 도관
'팬 효율의 차'는 '바이패스 유니트를 갖는 팬의 효율(%)' - '바이패스 유니트가 없는 팬의 효율(%)'과 같고, 이것은 흐름비를 사용하여 계산된 최고 효율점에서 얻은 값과 팬의 배출구에서 측정된 압력을 나타낸다. '팬 소음의 차'는 '바이패스 유니트를 갖는 팬의 소음 dB(A)' - '바이패스 유니트가 없는 팬의 소음 dB(A)'이고 최고 효율점에서 수준을 나타낸다. 흡입 파이프가 대기에 개방된 경우에 소음 수준은 흡입 파이프의 개구 앞 1미터에서 측정되고, 흡입 파이프가 곧은 도관과 연결된 경우 소음 수준은 도관에 대한 흡입 파이프의 연결부의 일 측 1미터에서 측정된다. 실시예 D의 구성은 표 3의 경우와 동일하다.

Claims (11)

  1. 일정한 직경을 갖는 "임펠러 전방 영역" 흡입 파이프의 주위에 환상의 폐쇄 공간 영역을 형성하는 유체실; 및
    흡입 공기가 흐르는 방향을 따라 배열된 적어도 세 개의 구멍으로 구성된 다수개의 연결통로 열로 상기 흡입 파이프의 벽 전체에 형성되는 상기 유체실과 흡입파이프를 연결하기 위한 연락 수단으로 구성되며,
    기준위치(ZP)로부터 예선회(豫旋回)를 제어하는 바이패스 기구(5)의 상류위치까지의 길이를 Z1이라 하고, 기준위치(ZP)로부터 예선회(豫旋回)를 제어하는 바이패스 기구(5)의 하류위치까지의 길이를 Z2라 하고, 임펠러축(1a)을 따라 흡입파이프의 일측면에 있는 날개단의 위치를 나타내고, 물리적으로 기류가 임펠러 내에 임펠러 날개에 의해 직접적으로 압력이 일정하게 유지되는 위치를 ZP라 하고, 상기 임펠러 전방영역 흡입파이프의 내경을 d0라 할 때,
    Z1≤ 2·d0
    0.4·d0＜ Z1- Z2
    를 만족하도록 Z1및 Z2가 선정되어 있는 것을 특징으로 하는 팬의 임펠러로 흡입 공기를 유입하기 위한 흡입 파이프 메커니즘.
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