KR100421861B1 - 냉장고용 축류팬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉장고용 축류팬에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 냉장고의 기계실에 적용되는 축류팬의 구조를 개선하여 축류팬 자체의 소음뿐만 아니라, 모터 극수와의 공진이나 응축기 등에 의한 유동 간섭을 최소화함으로써 전체적인 소음을 줄일 수 있는 냉장고용 축류팬을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬은 냉장고의 기계실에 구비되어 공기를 유동시킴으로써 응축기를 지나는 고온 고압의 기체 냉매를 액화시키는 냉장고용 축류팬에 있어서, 날개 수는 3개이고, 내외경비는 23.0 ±5%이며, 최대 캠버위치는 0.65로 허브에서 팁까지 일정하게 분포되며, 최대 캠버는 허브에서 상기 최대 캠버위치까지 4.0%∼5.0%, 상기 최대 캠버위치에서 팁까지 5.0%∼6.0%의 곡선 분포를 이루는 것을 특징으로 한다.

그리고, 피치각은 허브에서 팁까지 35.0°∼24.0°의 선형적인 분포를 이루고, 스윕각은 상기 팁에서 72.0°±10%를 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

냉장고용 축류팬{axial fan for refrigerator}

본 발명은 냉장고에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉장고의 기계실에 구비되어 외기를 흡입함으로써 냉매의 열 발산을 촉진시키는 냉장고용 축류팬에 관한 것이다.

일반적으로 냉장고는 냉매가 압축 - 응축 - 팽창 - 증발하는 냉동사이클을 반복함에 따라 고내를 저온화시켜 음식물을 일정 기간 동안 신선하게 유지시켜 주는 장치로서 생활에 있어서 필수품중 하나이다.

이러한 냉동사이클을 일으키는 다수의 부품이 냉장고의 기계실에 구비되어 있으며, 첨부된 도면을 참조하여 이를 상술하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 냉장고의 기계실 구성을 개략적으로 나타낸 구성도로서, 냉장고의 기계실(1)에는 저온, 저압상태의 기체 냉매를 고온 고압상태의 기체 상태로 승온 승압하는 압축기(2)와, 상기 압축기로부터 유입되는 고온 고압상태의 기체 냉매를 외기에 의해 냉각, 응축하여 액체 냉매로 변환하는 응축기(3)와, 상기 응축기에 외기를 공급하는 축류팬(10)과, 상기 축류팬의 날개를 감싸는 슈라우드(5)와, 상기 축류팬을 구동시키는 모터(4)가 구비된다.

우선, 냉동실(도시 생략) 및 냉장실(도시 생략) 내에 음식물을 채운 상태에서 전원을 인가하면 기계실(1)에 구비되어 있는 압축기(2)가 콘트롤러(도시 생략)의 제어 신호를 받아 저온 저압의 기체 냉매를 고온 고압의 기체 냉매로 압축시키며, 압축된 고온 고압의 기체 냉매는 응축기(3)를 지나면서 축류팬(10)에 의해 흡입된 공기에 의해 냉각되어 액화되고, 이 후 모세관(도시 생략)과 증발기(도시 생략)를 연속적으로 지나면서 저온 저압의 기체 냉매로 변환된다. 이 때, 저온 저압의 액체 냉매가 증발기에서 저온 저압의 기체 냉매로 변환될 때 주위의 열을 빼앗는 증발작용으로 냉기를 발생하게 된다.

따라서, 상기 축류팬(10)은 냉매가 고내에서 흡수한 열을 발산하는 기능을 촉진시키는 역할을 한다.

이러한 축류팬(10)은 모터(4)로부터 회전력을 얻어 회전하면서 팬 날개의 상면과 하면에 압력차를 발생시키고, 상기 압력차에 의해 기계실(1)의 일측으로부터 외기가 흡입되어 응축기(3) 및 압축기(2)를 지나면서 온도를 떨어뜨린 후 기계실의 타측으로 배출되는 유동 흐름을 발생시킨다.

이와 같은 유로 구조는 복잡하지 않고 유로 저항이 크기 않기 때문에, 높은 압력 하에서 구동되는 팬보다는 낮은 압력 및 저소음 위주의 팬을 선택하는 것이 바람직하며, 이에 부합되는 대표적인 축류팬이 도 2a 및 2b에 잘 도시되어 있다.

도 2a 및 2b에 도시된 바에 따르면, 기존의 축류팬(10)은 모터의 회전축에 결합되는 중앙 허브(11)와, 상기 허브의 외주연에 4개의 날개(12)가 회전방향에 맞는 형상으로 방사상으로 형성되어 있다. 그리고, 상기 날개의 스윕각(sweep angle,β)과 피치각(pitch angle,θ)은 각각 30°내외의 범위에 있다.

한편, 냉장고의 기계실과 같이 밀폐되지 않은 유로에 적용되는 팬의 날개수가 많게 되면, 유동을 발생시키기 위해 팬이 1회전하는 동안 날개수만큼 유동의 단절이 발생하고, 날개 표면을 지나는 유동의 박리로 인해 난류가 발생한다. 이 때, 상기 유동의 단절은 날개통과 주파수(Blade Passing Frequency)의 크기를 증가시키며, 날개 표면의 난류는 광대역 소음의 원인이 된다.

그런데, 기존 축류팬(10)의 경우 날개수(12)가 4개로서, 그만큼 유동 단절로 인한 날개통과 주파수가 증가됨과 더불어 날개 표면의 난류가 더욱 증가되어 무시할 수 없는 큰 소음이 발생하게 되었다.

그리고, 모터의 극수는 회전수에 따라 짝수로 증가하게 되는데, 기존 축류팬(10)의 경우 날개수(12)가 짝수이기 때문에 회전수 증감에 따라 모터의 극수와 공진을 일으키게 되었다.

또한, 냉장고 기계실의 구조상 축류팬(10)의 근접 후방에 응축기(3)가 위치하기 때문에, 상기 축류팬의 날개를 떠난 유동은 상기 응축기에 의해 간섭을 받게 된다. 이러한 간섭으로 인해 발생하는 소음은 축류팬 자체의 소음원보다 더 중요한 소음원이 되는데, 기존 축류팬의 경우 스윕각(β)이 적음으로 인해 응축기 및 주위 구조물에 의한 유동의 간섭이 더욱 크게 발생하였고, 이로 인한 소음은 상당하였다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 냉장고의 기계실에 적용되는 축류팬의 구조를 개선하여 축류팬 자체의 소음뿐만 아니라, 모터 극수와의 공진이나 응축기 등에 의한 유동 간섭을 최소화함으로써 전체적인 소음을 줄일 수 있는 냉장고용 축류팬을 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 냉장고 기계실의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도

도 2a는 종래 냉장고용 축류팬의 정면도

도 2b는 종래 냉장고용 축류팬의 측면도

도 3은 동일 풍량에서 날개수에 따른 축류팬의 소음 변화를 나타낸 그래프

도 4는 피치각의 변화에 따른 축류팬의 소음 변화를 나타낸 그래프

도 5는 스윕각의 변화에 따른 축류팬의 소음 변화를 나타낸 그래프

도 6a는 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬의 정면도

도 6b는 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬의 측면도

도 7은 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬의 날개 단면도

도 8은 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬의 날개 정면도

도 9는 본 발명에 따른 축류팬과 기존 축류팬의 모델별 소음 변화를 나타낸 그래프

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 축류팬 21 : 허브

22 : 날개 22a : 앞전

22b : 뒷전 22c : 팁

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬은 냉장고의 기계실에 구비되어 공기를 유동시킴으로써 응축기를 지나는 고온 고압의 기체 냉매를 액화시키는 냉장고용 축류팬에 있어서, 날개 수는 3개이고, 내외경비는 23.0 ±5%이며, 최대 캠버위치는 0.65로 허브에서 팁까지 일정하게 분포되며, 최대 캠버는 허브에서 상기 최대 캠버위치까지 4.0%∼5.0%, 상기 최대 캠버위치에서 팁까지 5.0%∼6.0%의 곡선 분포를 이루는 것을 특징으로 한다.

그리고, 피치각은 허브에서 팁까지 35.0°∼24.0°의 선형적인 분포를 이루고, 스윕각은 상기 팁에서 72.0°±10%를 이루는 것을 특징으로 한다.

이 때, 외경은 110 ±1mm이고, 허브 직경은 25 ±1mm이며, 날개폭은 36.0 ±1mm인 것을 특징으로 하고, 상기 축류팬의 회전방향은 전면에서 보았을 때 시계방향 또는 반시계방향인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 날개의 경계값은 전면에서 보았을 때 허브측 앞전으로부터 시계방향으로 돌아가면서 표1과 같은 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉장고용 축류팬을 첨부된 도면 및 표를 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 축류팬의 특성을 결정하는 여러 인자들과 소음 변화의 상관관계를 설명하면 다음과 같다.

도 3은 동일 풍량에서 날개수에 따른 축류팬의 소음 변화를 나타낸 그래프로서 세로축은 음압을 가로축은 유동률을 나타내는데, 동일한 인자로 구성된 축류팬의 날개 수만을 3개, 5개, 7개, 9개로 증가시키면서 성능 및 소음 실험을 한 결과를 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 유동률 1.15 CMM 부근의 임의의 한점을 기준으로 소음 발생 정도를 낮은 순서대로 나열하면, 날개 수가 3개인 것(B), 날개 수가 5개인 것(C), 기존 축류팬(A), 날개 수가 7개인 것(D), 날개 수가 9개인 것(E)으로 나열됨을 알 수 있다. 즉, 축류팬에서 발생하는 소음은 동일 풍량에서 날개 수에 반비례한다는 것을 알 수 있다. 이것은, 유로 저항을 극복하는데 가장 중요한 인자인 날개 수의 증가가 송풍 소음의 증가에 중요한 인자가 됨을 의미한다.

따라서, 풍량이 그다지 줄지 않는 범위 내에서는 날개 수가 작은 축류팬을 적용함이 소음 측면에서 바람직하다.

다음, 도 4는 피치각의 변화에 따른 축류팬의 소음 변화를 나타낸 그래프로서 세로축은 음압을 가로축은 피치각(pitch angle)을 나타내는데, 도 3의 결과를 바탕으로 날개 수가 3개인 축류팬에 대하여 실험한 결과이다.

상기 피치각은 날개의 앞전(leading edge)에서 뒷전(trailing edge)까지 이은 선분을 코드라인(chord line)이라 정의할 때, 상기 코드라인이 평면과 이루는 각을 의미하는데, 날개의 비틀림 정도를 나타내는 척도이다.

도 4에 도시된 피치각은 팁 부분에서의 값으로, 피치각이 증가할수록 소음이 점점 감소하다가 상기 피치각이 일정 범위를 벗어나 증가할 경우 소음이 다시 증가하는 경향을 보인다. 이 때, 소음이 가장 적은 피치각의 범위는 20°∼ 25°사이임을 알 수 있다.

다음, 도 5는 스윕각의 변화에 따른 축류팬의 소음 변화를 나타낸 그래프로서, 세로축은 음압을 가로축은 날개 팁에서의 스윕각(sweep angle)을 나타낸다.

상기 스윕각은 날개가 회전방향으로 기울어진 정도를 나타내는 것으로, 허브에서 날개의 중점과 팁에서 날개의 중점을 연결한 가상의 선이 회전축과 수직인 선과 이루는 각을 의미한다. 이러한 스윕각은 팬의 저소음화를 위한 것으로, 허브에서는 0이고 팁에서는 일정 함수에 따라 소정의 값을 갖는다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 스윕각이 팁에서 69°∼72°사이일 경우 소음이 최소가 됨을 알 수 있다.

한편, 상술한 날개 수, 피치각 및 스윕각에 대한 소음 변화를 바탕으로 소음을 최소화할 수 있는 최적의 냉장고용 축류팬을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 6a는 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬의 정면도이고, 도 6b는 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬의 측면도이며, 도 7은 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬의 날개 단면도이다.

도 6a 및 6b에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉장고용 축류팬(20)은 모터의 회전축에 결합되는 허브(21)와, 상기 허브의 외주연에 방사방향으로 형성되어 회전시 공기를 송풍시키는 3개의 날개(22)로 구성된다.

상기 날개(22)는 공기 유동을 일으키는 요소로서, 날개의 3차원적 형상은 축류팬의 유동 특성을 결정짓는 여러 가지 인자들로 정의된다.

먼저, 내외경비(I/O)라 함은 날개(22)가 회전할 때 날개의 팁(22c)이 그리는 궤적의 직경인 회전 직경(O)에 대한 허브 직경(I)의 비율로 정의되는데, 본 발명에따른 축류팬의 내외경비(I/O)는 23.0 ±5% 이다. 이를 구체화하면, 상기 축류팬의 회전 직경(O)은 110 ±1mm 이고, 허브 직경(I)은 25 ±1mm 이다.

이 때, 상기 축류팬의 날개폭(W)은 36.0 ±1mm 이다.

한편, 도 6a와 도 6b 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 축류팬의 최대 캠버위치, 최대 캠버, 피치각 및 스윕각을 정의하면 다음과 같다.

도 6a 및 7에 도시된 바에 따르면, 회전방향에 대해 날개의 앞전(leading edge,22a)에서부터 뒷전(trailing edge,22b)을 연결한 선분을 코드 라인(chord line,C)이라 정의하고, 날개의 굴곡면의 상부면과 하부면 사이의 1/2 지점을 구하여 이 점들을 연결한 선분을 평균 캠버 라인(mean camber line)이라 정의한다.

이 때, 상기 평균 캠버 라인과 코드 라인(C) 사이의 거리가 최대가 되는 상기 코드 라인상의 지점이 최대 캠버위치(maximum camber position,P)이며, 코드 라인(C)을 무차원화 하여 날개의 앞전(22a)을 0으로 뒷전(22b)을 1로 했을 때 상기 앞전에서부터의 거리로 표현된다. 그리고, 상기 최대 캠버위치(P)에서의 코드 라인(C)과 평균 캠버 라인 간의 거리인 최대 캠버 높이를 상기 코드 라인(C)의 길이(l)에 대한 비로 나타낸 것이 최대 캠버(maximum camber,M)이다.

즉, 최대 캠버(M)는 다음과 같이 정의된다.

이와 같은 정의에 따라서, 본 발명에 따른 축류팬(20)의 최대 캠버위치(P)는 0.65로 허브(21)에서 팁(22c)까지 일정하게 분포되고, 허브(21) 위치를 0.0으로 하고 팁(22c) 위치를 1.0로 했을 때 최대 캠버(M)는 허브(21)(0.0)에서 4.0%, 허브(21)와 팁(22c) 간 거리의 65%지점(0.65)에서 5.0%, 팁(22c)(1.0)에서 6.0%이다.

그리고, 상기 코드 라인(C)이 평면과 이루는 각을 피치각(θ)으로 정의하면, 상기 축류팬의 피치각(θ)은 허브(21)에서 팁(22c)까지 35.0°∼24.0°의 선형적인 분포를 이룬다. 이 때, 상기 팁(22c)의 피치각은 도 4의 결과에 따라 소음이 최소화되는 20°∼25°의 범위 중에서 최적의 값이 선택된 것이다.

다음, 본 발명에 따른 축류팬의 스윕각(β)은 팁(22c)에서 72.0°±10%의 값을 갖는다. 이것은 도 5의 결과에 따라 소음이 최소화되는 69°∼72°의 범위를 만족시킬 수 있도록 설정된 것이다. 즉, 상기 축류팬(20)은 기존 축류팬의 스윕각보다 휠씬 큰 스윕각(β)을 가짐에 따라, 상기 축류팬의 후방에 위치하는 응축기를 비롯한 다른 부품과의 유동 간섭을 최소화할 수 있어 이로 인한 소음을 현저하게 감소시킬 수 있다.

이와 같이 구성된 축류팬(20)은 시계방향(clockwise) 또는 반시계방향(count clockwise)의 회전방향을 모두 가질 수 있는데, 도 6a에 도시된 것은 공기가 토출되는 방향에서 보았을 때 반시계방향으로 회전하는 것이다.

한편, 상기 축류팬을 구성하는 날개(22)의 경계값(boundary data)을 도면과 표를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 8은 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬의 날개 정면도로서, 상기 날개(22)의 경계를 160개의 영역으로 나눈 후, 각 영역의 위치를 X,Y,Z 3개의 좌표로 표시하여 3차원적 형상을 나타낸 것이다.

도 8에 도시된 바에 따르면, 상기 날개(22)는 허브측의 앞전(1)에서부터 허브측의 뒷전(41), 팁측의 뒷전(81), 팁측의 앞전(121), 다시 허브측의 앞전(161)까지 시계방향으로 돌아가면서 160개의 영역으로 분할되고, 각 영역의 좌표는 아래 표와 같다. 이 때, X 좌표와 Y 좌표는 가로축 및 세로축을 나타내고, Z 좌표는 회전축을 나타내며, 각 영역의 경계값은 mm 단위이다.

다음, 본 발명에 따른 축류팬과 기존 축류팬을 동일한 풍량에서 소음 발생정도를 비교하면 다음과 같다.

먼저, 도 9는 본 발명에 따른 축류팬과 기존 축류팬의 모델별 소음 변화를 나타낸 그래프로서 세로축은 음압을 가로축은 유동률을 나타내는데, 본 발명에 따른 축류팬과 기존 축류팬을 140 리터, 360 리터, 420 리터, 500 리터의 각 용량별로 비교한 것이다.

도 9에 도시된 바에 따르면, 먼저 140 리터의 경우 동일 풍량에서 본 발명에 따른 축류팬(A₂)의 소음이 기존 축류팬(A₁)의 소음보다 대략 4.14 데시벨 정도로 낮음을 알 수 있다.

그리고, 360 리터의 경우에는 동일 풍량에서 본 발명에 따른 축류팬(D₂)의 소음이 기존 축류팬(D₁)의 소음보다 대략 2.35 데시벨 정도로 낮고, 420 리터의 경우에는 대략 2.54 데시벨 정도로 낮으며, 500 리터의 경우에는 대략 2.55 데시벨 정도로 낮다.

따라서, 본 발명에 따른 축류팬은 기존 축류팬보다 모델별로 약간의 차이는 있지만 동일한 풍량을 얻는데 평균적으로 2.5 데시벨 이상의 소음을 줄일 수 있다. 이 때, 본 발명에 따른 축류팬의 회전수는 기존 축류팬의 회전수보다 대략 100 rpm 정도 낮은 것으로, 이것은 동일한 풍량을 저속회전으로 달성할 수 있는 것을 의미하며, 결국 효율이 향상됨을 의미한다.

본 발명에 따른 냉장고용 축류팬은 3개의 날개로 이루어져 기존의 축류팬보다 날개통과 주파수와 날개 표면의 난류를 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 광대역 소음을 현저하게 줄일 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬은 날개수를 홀수로 적용함에 따라, 모터 극수와의 공진 발생을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 냉장고용 축류팬은 큰 스윕각을 적용함으로써, 응축기 및 주위 구조물로 인한 유동 간섭을 최소화할 수 있고, 이로 인한 소음의 발생을 감소시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 냉장고의 기계실에 구비되어, 공기를 유동시킴으로써 응축기를 지나는 고온 고압의 기체 냉매를 액화시키는 냉장고용 축류팬에 있어서;

   날개 수는 3개이고, 내외경비는 23.0 ±5%이며, 최대 캠버위치는 0.65로 허브에서 팁까지 일정하게 분포되며, 최대 캠버는 허브(0.0)에서 4.0%, 허브와 팁 간 직선거리의 65%지점(0.65)에서 5%, 팁(1.0)에서 6.0%인 것을 특징으로 하는 냉장고용 축류팬.
2. 제 1 항에 있어서,

   피치각은 허브에서 팁까지 35.0°∼24.0°의 선형적인 분포를 이루고, 스윕각은 상기 팁에서 72.0°±10%를 이루는 것을 특징으로 하는 냉장고용 축류팬.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   외경은 110 ±1mm이고, 허브 직경은 25 ±1mm이며, 날개폭은 36.0 ±1mm인 것을 특징으로 하는 냉장고용 축류팬.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 축류팬의 회전방향은 전면에서 보았을 때 시계방향 또는 반시계방향인 것을 특징으로 하는 냉장고용 축류팬.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 축류팬의 회전축을 Z축으로 정의하고 상기 Z축을 지나는 가로축 및 세로축을 각각 X축 및 Y축이라 정의할 때, 상기 날개의 경계를 허브측 앞전에서부터 시계방향으로 돌아가면서 160개의 영역으로 나누고, 상기 영역들의 X,Y,Z 좌표는 아래 표와 같은 것을 특징으로 하는 냉장고용 축류팬.