KR100588806B1 - 송풍기용 임펠러 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 송풍기용 임펠러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 날개의 형상과 그 재질을 개선하여 종래보다 경제적이고 대량생산이 가능한 송풍기용 임펠러에 관한 것이다.
본 발명에서는 외부의 모터에 연결된 회전축에 의하여 회전운동을 하며, 그 재질이 목재로 이루어지는 원형의 회전판; 중심부에 개구부가 형성되고 상기 회전판에 평행하게 마주하도록 위치하며, 그 재질이 목재로 이루어지는 원형의 측판; 상·하단이 상기 측판과 상기 회전판에 각각 접촉하도록 상기 회전판과 상기 측판 사이에 마련되고, 외측단과 내측단 사이에 형성되는 변곡점을 기준으로 호형의 외측 날개깃과 내측 날개깃으로 구분되며, 그 재질이 목재로 이루어지는 다수의 블레이드; 및 상기 회전축의 동력을 상기 회전판에 전달하기 위하여 상기 회전판에 결합되는 것으로서 금속으로 형성되는 허브를 포함하여 구성되며,
상기 회전판의 중심으로부터 상기 변곡점을 지나는 직선을 법선이라 정의하고, 상기 블레이드의 외측단에서의 접선속도의 방향을 전방, 그 반대방향을 후방이라 정의할 때,
상기 외측 날개깃과 상기 내측 날개깃은 상기 변곡점을 중심으로 점대칭 되며, 상기 외측 날개깃의 곡률반경의 중심은 상기 법선의 전방에 위치하고, 상기 내측 날개깃의 곡률반경의 중심은 상기 법선의 후방에 위치하는 것을 특징으로 하는 송풍기용 임펠러를 제공한다.
송풍기, 임펠러, 측판, 회전판, 블레이드, 외측 날개깃, 내측 날개깃, 변곡점, 법선, 곡률반경중심, 허브, 모터, 회전축
Description
도 1은 종래의 리미트 로드형 임펠러의 부분 횡단면도.
도 2는 종래기술의 하나인 원심형 송풍기용 임펠러의 부분 횡단면도.
도 3은 본 발명의 송풍기용 임펠러의 사시도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 송풍기용 임펠러의 개략적인 부분 횡단면도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 송풍기용 임펠러의 개략적인 부분 횡단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 임펠러 110 : 회전판
120 : 측판 130 : 블레이드
132 : 내측 날개깃 134 : 외측 날개깃
136 : 변곡점 140 : 허브
142 : 볼트 144 : 너트
150 : 회전축
본 발명은 송풍기용 임펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 송풍기의 토출압력이 비교적 낮은 건물 등의 소방용 팬 등에 적용할 수 있도록 그 블레이드의 형상과 재질이 개선된 송풍기용 임펠러에 관한 것이다.
송풍기는 유동을 일으키는 임펠러(impeller), 임펠러로 들어가고 나오는 유동을 안내하는 케이싱(casing)으로 이루어진다. 송풍기의 분류 방법에는 여러 가지가 있는데 가장 일반적인 방법은 임펠러를 통과하는 유동의 특성에 의한 분류이며, 그것은 크게 축류형 송풍기(Axial-flow fan)와 원심형 송풍기(Centrifugal fan)로 나눈다.
공기의 유동이 임펠러의 회전축과 평행 방향으로 발생하면 축류송풍기라고 하며, 이 경우에는 임펠러 입구와 출구의 유동 방향이 모두 회전축과 일치한다. 프로펠러형 송풍기, 즉 보통의 가정용 선풍기가 여기에 속한다. 축류형 송풍기는 가해준 에너지가 주로 유체의 속도를 증가시키는 데 사용되며, 따라서 유량은 많이 필요하나 압력은 그리 필요하지 않은 곳에 사용된다. 원심형 송풍기는 원심력에 의한 압력 증가가 주된 목적이며 따라서 유량보다는 압력이 필요한 곳에 많이 사용된다.
원심형 송풍기는 보통 임펠러 입구 유동은 회전축 방향이나 출구 유동은 회전축의 직각 방향이 되도록 나선형의 케이싱을 사용하는 경우와 임펠러 입구 유동 과 출구 유동이 둘 다 회전축 방향이 되도록 튜브형 케이싱을 사용하는 경우로 크게 구별된다.
이러한 원심형 송풍기는 그 날개깃의 형상 및 경사에 따라 다익 팬(Multiblade Fan), 레이디얼 팬(Radial Fan), 터보 팬(Turbo Fan), 한정부하 팬(Limited Loaded Fan) 및 익형 팬(Airfoil Fan)으로 분류될 수 있다.
도 1은 종래의 리미트 로드형 임펠러의 부분 횡단면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 리미트 로드형 임펠러(10)의 블레이드(12)는 그 단면이 "S" 자 형상을 하고 있는데, 상기 블레이드(12)의 외측단과 내측단 사이에 형성되는 변곡점(14)을 기준으로 내측 원호부(16)와 외측 원호부(18)로 구분된다. 상기 임펠러(10)의 회전방향을 전방이라 정의할 때, 상기 외측 원호부(18)의 곡률반경의 중심(C1)은 후방에 위치하며, 상기 내측 원호부(16)의 곡률반경의 중심(C2)은 전방에 위치하도록 상기 블레이드(12)가 형성된다.
상기 리미트 로드형 임펠러(10)는 상기 블레이드(12)가 "S"자의 단면형상을 가지고 있으며, 케이싱 흡입구에 프로펠러형 안내 깃이 고정되어 있는 송풍기로 설계점 이상의 풍량에서도 축동력이 증가하지 않는다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 리미트 로드형 임펠러(10)는 그 형상이 복잡하여 제작이 쉽지 않고 고가라는 단점 때문에 현재는 그다지 널리 활용되지 않고 있는 실정이다. 또한 상기 리미트 로드형 임펠러는 그 블레이드(12)의 수에 한계가 있어서 동일한 풍량을 얻기 위하여는 다른 형식의 임펠러에 비하여 크기가 커져야 한다는 단점이 있다.
도 2는 종래기술의 하나인 원심형 송풍기용 임펠러의 부분 횡단면도이다. 상 기 종래기술은 2002년 2월 21일자로 한국특허청에 출원되어 2002년 5월 24일자로 공고된 실용신안등록번호 제 20-0276584호 "개선된 형상의 블레이드를 구비하는 원심형 송풍기용 임펠러"에 관한 것이다.
상기 종래기술은 서어징 영역을 거의 발생시키지 않도록 하기 위하여 도 1의 리미트 로드형 임펠러(10)의 블레이드 형상 및 날개각을 변화시킨 송풍기용 임펠러에 관한 것인데, 그 구체적인 구조는 다음과 같다. 임펠러의 회전축에 대해 세로방향으로는 평행하게 정렬되고 가로 방향으로는 방사상으로 연장·정렬된 다수의 블레이드(22)를 가지는 원심형 송풍기용 임펠러에 있어서, 상기 임펠러(20)의 가로방향 단면상에서 볼 때, 상기 블레이드(22) 각각은 변곡점(24)에 의해 구분되는 내측 원호부(26)와 외측 원호부(28)를 포함하되, 상기 내측 원호부(26)와 상기 외측 원호부(28)는 동일한 곡률반경을 가지고, 상기 내측 원호부(26)의 호의 길이는 상기 외측 원호부(28)의 호의 길이보다 길게 마련되며, 상기 임펠러(20)의 회전방향측을 전방이라 하고, 상기 임펠러(20)의 회전방향의 반대방향측을 후방이라 할 때, 상기 내측 원호부(26)의 곡률반경의 중심(C2)은 상기 내측 원호부(26)의 전방에 배치되고 상기 외측 원호부(28)의 곡률반경의 중심(C1)은 상기 외측 원호부(28)의 후방에 배치되며, 상기 블레이드(22)의 외측단은 상기 임펠러의 회전중심과 상기 블레이드의 내측단을 통과하는 제 1 법선(N1)보다 전방에 배치된다.
그러나 상기 종래기술에 따른 임펠러(20)는 풍량이 증가함에 따라 구동동력이 급격히 증가한다는 단점이 있다.
이러한 송풍기용 임펠러들은 통상적으로 그 구조와 강도가 우수한 금속으로 제작된다. 즉, 송풍기용 임펠러는 일반적으로 주물을 이용하거나 절삭기계로 절삭가공하거나, 금속판재를 절단 가공한 후 용접하여 제작한다. 그러나, 주물을 이용하여 제작하는 경우에는 주물표면의 거친 돌기를 제거해야 하므로 추가적인 공정이 필요하게 된다는 단점이 있으며, 절삭가공의 경우에는 그 제작시간이 오래 걸리며 제작단가가 높다는 단점이 있다. 대부분의 영세한 소규모 송풍기 업체에서는 금속판재를 치수에 맞게 절단한 후 용접하여 상기 임펠러를 제작하는데 이 경우에는 숙련된 기능공이 필요하며, 제작공정이 복잡하다는 단점이 있다.
또한, 종래의 송풍기용 임펠러는 특수한 경우를 제외하고는 대부분 금속으로 제작되는데, 상기 송풍기용 임펠러의 사이즈가 커짐에 따라 그 중량 또한 무거워지게 된다. 따라서, 상기 금속재의 송풍기용 임펠러를 운전하기 위하여는 매우 큰 동력을 요하게 되므로 높은 출력의 모터가 필요하게 된다. 따라서, 전력소모가 심하다는 단점이 있다. 게다가 높은 자체하중으로 인하여 회전운동시 진동과 소음이 심하다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 임펠러의 형상과 재질을 개선하여 종래보다 제작이 쉽고 운전성능이 뛰어나며, 대량생산이 가능한 경제적인 송풍기용 임펠러를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 외부의 모터에 연결된 회전 축에 의하여 회전운동을 하며, 그 재질이 목재로 이루어지는 원형의 회전판; 중심부에 개구부가 형성되고 상기 회전판에 평행하게 마주하도록 위치하며, 그 재질이 목재로 이루어지는 원형의 측판; 상·하단이 상기 측판과 상기 회전판에 각각 접촉하도록 상기 회전판과 상기 측판 사이에 마련되고, 외측단과 내측단 사이에 형성되는 변곡점을 기준으로 호형의 외측 날개깃과 내측 날개깃으로 구분되며, 그 재질이 목재로 이루어지는 다수의 블레이드; 및 상기 회전축의 동력을 상기 회전판에 전달하기 위하여 상기 회전판에 결합되는 것으로서 금속으로 형성되는 허브를 포함하여 구성되며, 상기 회전판의 중심으로부터 상기 변곡점을 지나는 직선을 법선이라 정의하고, 상기 블레이드의 외측단에서의 접선속도의 방향을 전방, 그 반대방향을 후방이라 정의할 때, 상기 외측 날개깃과 상기 내측 날개깃은 상기 변곡점을 중심으로 점대칭 되며, 상기 외측 날개깃의 곡률반경의 중심은 상기 법선의 전방에 위치하고, 상기 내측 날개깃의 곡률반경의 중심은 상기 법선의 후방에 위치하는 것을 특징으로 하는 송풍기용 임펠러를 제공한다.
상기에서 상기 블레이드의 외측단은 상기 블레이드의 내측단보다 후방에 위치하도록 설계될 수 있으며 또는 전방에 위치하도록 설계될 수 있다.
상기 블레이드의 상·하단은 접착제를 사용하여 상기 측판 및 상기 회전판에 각각 부착될 수 있으며, 상기 임펠러의 표면은 불연성 또는 난연성 페인트로 도장처리되는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리를 보다 상세하게 설명한다. 이하의 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 기능과 작동을 하는 동 일한 부재를 의미하는 것으로 한다.
도 3은 본 발명의 송풍기용 임펠러의 사시도이고 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 송풍기용 임펠러의 개략적인 부분 횡단면도이다.
도시한 바와 같이 송풍기용 임펠러(100)는 크게 회전판(110), 측판(120), 블레이드(130) 및 허브(140)를 포함하여 구성된다. 상기 회전판(110)은 상기 허브(140)에 연결되는 회전축(150)에 의하여 축동력을 전달받아 회전운동을 하는 것으로서 본 발명에서는 목재를 가공하여 제작된다. 상기 회전판(110)의 중심부에는 금속재의 허브(140)가 볼트(142) 및 너트(144)에 의하여 결합되며, 상기 허브(140)에는 외부의 모터에 연결되는 회전축(150)이 끼워진다.
상기 측판(120)은 상기 회전판(110)에 평행하게 마주하도록 위치하는데 그 중심부에는 외부의 공기 등을 흡입하기 위하여 중앙에 개구부(125)가 형성된다. 상기 측판(120) 또한 목재를 가공하여 제작된다.
상기 회전판(110)과 상기 측판(120)의 사이에는 다수의 블레이드(130)가 그 원주방향을 따라 방사상으로 배치된다. 상기 블레이드(130)의 상·하단은 상기 측판(120) 및 상기 회전판(110)에 각각 접촉하도록 결합되는데, 이때 상기 블레이드(130)의 상·하단은 접착제를 사용하여 상기 측판(120) 및 상기 회전판(110)에 접착될 수 있다. 상기 접착제로는 페놀 수지계, 에폭시 수지계 및 요소 수지계 등의 열경화성 수지접착제나 실리콘 고무계 및 우레탄 고무계 등의 고무계 수지 접착제가 선택될 수 있는데 이러한 접착제는 상기 임펠러(100)의 고속회전시에도 충분한 내구성과 강도를 제공할 수 있다. 본 발명의 임펠러(100)는 주로 회전속도가 약 1000 RPM 이하로 운전되는 건물 등의 소방용 팬으로 사용되는 것이 바람직한데, 실제로 상기 임펠러(100)를 1000 RPM 을 초과하는 회전속도로 운전해 본 결과 그 내구성과 강도에 문제가 없는 것으로 확인되었다.
상기 블레이드(130)는 그 단면이 역 "S" 자 형상을 가지고 있는데, 상기 회전판(110)의 중심에서 가까운 쪽인 내측 날개깃(132)과 상기 회전판(110)의 중심(CR)에서 먼 쪽인 외측 날개깃(134)으로 구성된다. 상기 내측 날개깃(132) 및 상기 외측 날개깃(134)은 각각 호형의 형상을 가지며 상기 내측 날개깃(132)과 상기 외측 날개깃(134)이 만나는 부분이 변곡점(136)이 된다.
도 4에 도시한 바와 같이 상기 회전판(110)의 중심(CR)에서 상기 변곡점(136)을 지나는 직선을 법선(N)이라 정의하고, 상기 블레이드(130)의 외측단(134a) 에서의 접선속도(V)의 방향을 전방이라 하고 그 반대방향을 후방이라 정의할 때, 상기 내측 날개깃(132)의 곡률반경의 중심(C2)는 상기 법선(N)의 후방에 위치하며 상기 외측 날개깃(134)의 곡률반경의 중심(C1)은 상기 법선(N)의 전방에 위치한다. 상기 내측 날개깃(132)과 상기 외측 날개깃(134)의 곡률반경과 호의 길이는 서로 동일하다. 따라서 상기 외측 날개깃(134)은 상기 변곡점(136)을 중심으로 상기 내측 날개깃(132)과 점대칭 된다. 본 실시예서는 상기 블레이드의 외측단(134a)은 상기 블레이드의 내측단(132a)보다 후방에 위치하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 송풍기용 임펠러의 개략적인 부분 횡단면도이다. 본 실시예는 상기 블레이드의 외측단(134a)이 상기 블레이드의 내측단(132a)보다 전방에 위치하는 것을 제외하고 그 나머지 구성과 작동원리는 상기 제 1 실시예와 동일하다. 본 실시예의 경우 전술한 제 1 실시예의 경우보다 상기 블레이드(130)에 걸리는 압력이 더 크지만 본 발명의 송풍기용 임펠러(100)가 주로 약 1000 RPM 이하의 저속에서 운전되는 것을 감안하면 상기 블레이드(130)에 걸리는 압력은 그다지 큰 문제가 되지 않는다고 할 것이다.
송풍기 제작에는 일반주조, 금형주조, 진공주조, 몰드성형, Laser Cutting, 판금, 용접 등 매우 다양한 가공방법이 사용된다. 특히, 산업용 송풍기의 경우에는 대량생산이 아닌 소량 다품종 주문생산이 주로 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 생산단가도 높아지며, 수작업에 의하게 되므로 생산성, 정밀도 등이 떨어지게 된다. 따라서 효율에 매우 큰 영향을 주는 임펠러와 케이싱 사이의 간극, 날개의 정확한 익형 형상 등의 정밀한 치수를 맞추기가 어렵다.
전술한 것처럼 본 발명의 송풍기용 임펠러(100)의 상기 블레이드(130)는 그 형상이 역 "S" 자 형태를 취하고 있는데, 이러한 형상을 가진 블레이드(130)를 종래처럼 주조나 절삭가공 등의 방법으로 제작할 경우 그 제작공정이 복잡하고 제작시간도 오래 걸린다는 문제가 있다. 금속재를 절단 및 용접가공하여 상기 블레이드(130)를 제작하는 경우에도 동일한 문제가 있다. 또한, 종래의 방법으로 상기 블레이드(130)를 제작하는 경우에는 고도로 숙련된 기능공을 요하기 때문에 송풍기의 제작업체 대부분이 영세한 규모인 국내의 실정을 감안할 때 여러 명의 숙련공을 확보하는 것이 그다지 용이하지 않은 것이 사실이다.
따라서, 본 발명에서는 상기 송풍기용 임펠러의 주요부분인 상기 회전판(110), 상기 측판(120) 및 상기 블레이드(130)를 가공이 쉽고 강도도 비교적 우수한 목재로 제작한다. 목재는 기계적 강도가 강판이나 스테인레스판 등의 금속재에 미치지 못하여 고속 회전을 하는 산업용 송풍기 등에는 적합하지 않으나, 건물 등의 환기를 위한 소방용 팬 등에 적용하는 경우에는 목재로 상기 임펠러(100)를 제작하더라도 충분한 강도와 내구력을 유지할 수 있다.
목재로 제작되는 상기 임펠러(100)는 종래 금속재의 임펠러에 비하여 소음과 진동이 적으며 전력소요도 작은 것으로 확인되었다. 아래의 표 1은 본 발명의 송풍기용 임펠러(100)와 A 사의 대형 시로코팬의 성능을 시험한 결과를 나타낸 것이다.
- 시험조건 -
1. 대기조건
(1) 대기압 : 760 mmHg, (2) 대기온도 : 15 ℃, (3)상대습도 : 62 %
(4) 비중량 : 1.23 kg/cm3
2. 모터사양
(1) 진동수 : 60 Hz, (2) 전원전압 : 380 V, (3) 입력전류 : 3 A,
(4) 모터출력 : 1500 W, (5) 모터극수 : 6 poles, (6) 회전수 : 1160 RPM
[ 표 1 ]
| 구 분 | 날개폭(mm) | 풍량(m3/min) | 정압(mmAq) | 소음(dB) | 중량(kg) | 회전수(RPM) |
| 본 발명의 실시예1 | 140 | 98 | 50 | 62 | 15 | 1160 |
| 타사의 시로코팬 | 310 | 88 | 40 | 70 | 55 | 1160 |
상기 표 1은 대기조건과 모터사양을 동일하게 한 상태에서 측정한 결과인데, 상기 표 1에서 볼 수 있듯이 본 발명의 임펠러를 장착한 송풍기의 성능이 타사의 편흡입형 대형 시로코팬에 비하여 뒤지지 않는다는 사실을 확인할 수 있다. 게다가 임펠러의 중량은 타사의 일반적인 제품보다 훨씬 가벼워서 강판 등의 금속재로 된 송풍기를 저주파 영역 (약 1,800 RPM)에서 운전할 때 발생할 수 있는 공진의 가능성을 배제할 수 있다는 장점이 있다.
상기 본 발명의 송풍기용 임펠러(100)는 전술한 바와 같이 주로 빌딩, 아파트, 지하상가, 공장, 창고 등의 일반환기, 공기조화, 냉난방 송풍 및 급배기용으로 사용되므로 상기 임펠러(100)의 표면은 불연성 또는 난연성 페인트로 도장처리되는 것이 바람직하다.
이제까지 본 발명의 구성과 작동원리를 바람직한 실시예들을 중심으로 기술하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기한 것에 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 다양한 변형과 응용이 가능하다 할 것이며 그러한 것들은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.
전술한 본 발명의 송풍기용 임펠러는 종래의 송풍기용 임펠러에 비하여 다음과 같은 장점을 가진다.
첫째, 회전판, 측판 및 블레이드를 목재를 가공하여 제작하므로 어떠한 블레이드의 형상이라도 정확한 수치를 가지도록 설계 및 제작하는 것이 용이하다. 따라서 임펠러의 대량생산이 가능하며 생산단가도 저렴하다.
둘째, 블레이드의 형상을 역 "S" 자 형태의 2단 날개로 제작함으로써 저속회전시에도 적정한 풍량과 정압을 제공할 수 있다.
셋째, 종래 무거운 중량의 금속재 임펠러를 목재로 대체함으로써 종래 금속재 임펠러의 하중에 의한 처짐 등으로 인한 진동 및 소음을 저감시킬 수 있으며, 임펠러의 하중 감소로 인하여 구동모터가 소형화되어 결국 전력소비가 감소한다.
넷째, 종래보다 간단한 설비만 가지고도 소규모 사업장에서 쉽게 제작이 가능하므로 숙련된 기능공을 다수 확보할 필요가 없게 된다.
다섯째, 소재 자체가 환경친화적이서 작업장 주변의 환경오염을 예방할 수 있으며, 상기 송풍기용 임펠러 표면의 도장재의 선택에 따라 다양한 용도로 사용될 수 있다.
Claims (5)
- 외부의 모터에 연결된 회전축에 의하여 회전운동을 하며, 그 재질이 목재로 이루어지는 원형의 회전판;중심부에 개구부가 형성되고 상기 회전판에 평행하게 마주하도록 위치하며, 그 재질이 목재로 이루어지는 원형의 측판;상·하단이 상기 측판과 상기 회전판에 각각 접촉하도록 상기 회전판과 상기 측판 사이에 마련되고, 외측단과 내측단 사이에 형성되는 변곡점을 기준으로 호형의 외측 날개깃과 내측 날개깃으로 구분되며, 그 재질이 목재로 이루어지는 다수의 블레이드; 및상기 회전축의 동력을 상기 회전판에 전달하기 위하여 상기 회전판에 결합되는 것으로서 금속으로 형성되는 허브를 포함하여 구성되며,상기 블레이드의 상·하단은 접착제를 사용하여 상기 측판 및 상기 회전판에 각각 부착되며,상기 회전판의 중심으로부터 상기 변곡점을 지나는 직선을 법선이라 정의하고, 상기 블레이드의 외측단에서의 접선속도의 방향을 전방, 그 반대방향을 후방이라 정의할 때,상기 외측 날개깃과 상기 내측 날개깃은 상기 변곡점을 중심으로 점대칭 되며, 상기 외측 날개깃의 곡률반경의 중심은 상기 법선의 전방에 위치하고, 상기 내측 날개깃의 곡률반경의 중심은 상기 법선의 후방에 위치하는 것을 특징으로 하는 송풍기용 임펠러.
- 제 1항에 있어서,상기 블레이드의 외측단은 상기 블레이드의 내측단보다 후방에 위치하는 것을 특징으로 하는 송풍기용 임펠러.
- 제 1항에 있어서,상기 블레이드의 외측단은 상기 블레이드의 내측단보다 전방에 위치하는 것을 특징으로 하는 송풍기용 임펠러.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 임펠러의 표면은 불연성 또는 난연성 페인트로 도장처리되는 것을 특징으로 하는 송풍기용 임펠러.
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