KR100754336B1

KR100754336B1 - 냉각 팬

Info

Publication number: KR100754336B1
Application number: KR1020017015962A
Authority: KR
Inventors: 유진 이. 윌리암스; 조나단 비. 스태그
Original assignee: 보그워너 인코포레이티드
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2007-08-31
Anticipated expiration: 2021-03-20
Also published as: US6375427B1; DE60128435D1; EP1793125B1; DE60134063D1; EP1208303B2; JP2003531341A; DE60128435T2; EP1208303A2; EP1795761B1; WO2001079704A2; EP1793125A1; KR20020031102A; EP1795761A1; EP1208303B1; JP4648606B2; WO2001079704A3; DE60134064D1

Abstract

엔진 냉각 시스템은 중앙 허브(12)와, 허브(12)로부터 반경방향으로 둘출한 복수의 블레이드(11)와, 블레이드의 팁(17)에 연결된 외측 외주 링(15)을 포함하는 링 타입의 냉각 팬(10)을 포함한다. 본 발명의 일 양태에서, 외측 링(15)은 다수의 팬의 적층 가능도와 안정성을 향상시킬 수 있도록 팬(10)의 출구측(10b)에 벌어진 림(28)을 포함한다. 본 발명의 다른 양태에서, 블레이드(11) 각각은 블레이드(11)의 후면(25) 상에 한정된 지지 베인(support vane)(30)을 포함한다. 지지 베인(30)은 팬 블레이드(11)의 후면(25)을 가로지르는 공기 유동(F)의 곡률을 따르도록 곡선을 이룬다. 각각의 지지 베인(30)은 블레이드 루트(19)에서 시작되어 블레이드 길이의 절반이 되는 곳에서 블레이드의 트레일링 에지(11b)에서 끝난다. 지지 베인(30)은 팬(10)에 대한 제 1 모드 강성을 제공한다. 특정 실시예에서, 지지 링(35)은 지지 베인(30)의 내측방향으로 중앙 허브(12)에 한정된다. 베인 지지 상부구조부(37)가 지지 베인(30)이 받게되는 공력 하중에 반작용하도록 지지 베인(30)과 지지 링(35)의 사이에 형성된다. 다른 지지 상부구조부(37)가 지지 링(35)과 중앙 허브(12) 사이에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 특징은 외측 링(15)의 벌어진 림(28)과 블레이드 팁(17) 사이에 응력을 감소시키는 겹침 영역(blend region)(20)과, 향상된 블레이드의 기하학적 형상을 제공한다.

Description

냉각 팬{COOLING FAN}

본 발명은, 예컨대 산업용 엔진 또는 자동차 엔진에 의해 구동되며 이들 엔진을 냉각시키는데 사용되는 팬과 같은, 냉각 팬에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 특정 양태는 링 팬(ring fan)에 관한 것인 반면, 다른 특징은 팬 블레이드 설계와 관련된 것이다.

대부분의 산업용 엔진 및 자동차 엔진의 적용예에서, 냉각제 라디에이터(coolant radiator)를 가로지르도록 공기를 송풍하는데 엔진 구동식 냉각 팬이 사용된다. 보통, 이러한 팬은 엔진 크랭크샤프트에 연결된 벨트 구동 메커니즘을 통해서 구동된다.

전형적인 냉각 팬은 중앙 허브 플레이트(central hub plate)에 장착된 복수의 블레이드를 포함한다. 허브 플레이트는 예를 들면 벨트 구동 메커니즘에 회전식 연결을 제공하도록 구성될 수 있다. 팬 블레이드의 사이즈와 개수는 개별 응용에 대한 냉각 요구 조건에 의해 결정된다. 예를 들면, 소형의 자동차용 팬은 단지 9 인치(약 228.6mm) 직경을 갖는 네 개의 블레이드만을 필요로 할 수 있다. 대형 응용의 경우에는, 더 많은 개수의 블레이드가 필요하다. 일례의 전형적인 대형 고출력 자동차의 경우에, 아홉 개의 블레이드가 팬 설계에 포함되며, 블레이드는 704 mm의 외경을 갖는다.

블레이드의 개수와 직경 이외에, 개개 팬의 냉각 용량(cooling capacity)은 또한 작동 속도로 구동되는 팬에 의해 발생될 수 있는 공기 유량(airflow volume)에 의해서 조절된다. 공기 유량은 예컨대 블레이드 면적과 곡률 또는 측면 형상(profile)과 같은 개개 블레이드의 기하학적 형상과 팬의 회전 속도에 좌우된다.

냉각 팬의 치수와 공기 유동 용량(airflow capacity)이 증가함에 따라, 팬 특히 블레이드가 받게되는 하중 역시 증가한다. 게다가, 더 높은 회전 속도 및 팬을 통과하는 공기 유량의 증가는 블레이드의 탈피치 현상(de-pitching)과 심각한 소음 문제를 발생시킬 수 있다. 이러한 문제점들을 다소 해결하기 위해서, 특정의 냉각 팬 설계에서는 팬의 외주(circumference) 둘레에 링을 포함한다. 특히, 블레이드 팁(blade tip)이 링에 부착되는데, 이러한 링은 블레이드 팁에 안정성을 제공한다. 링은, 특히 링이 링의 외주를 따르는 U 형상의 슈라우드(shroud)와 결합될 때 블레이드 팁에서의 와류 발산(vortex shedding)의 감소에 또한 일조한다.

따라서, 링 팬의 설계는 종래의 지지되지 않는 냉각 팬 구성(unsupported cooling fan configuration)에서 부딪히게 되는 구조상의 난점들 중 일부를 해소한다. 하지만, 링 팬에 의해서 증가된 강도(increased strength)와 향상된 진동 특성이 제공되기 때문에, 이러한 팬에 대한 공칭적인 작동 조건은 다시 링 팬의 역량을 향상시키도록 증가되어 왔다. 더욱이, 외주 링의 질량 관성은 블레이드와 링의 인터페이스에 가해지는 구심력을 증가시킨다.

그 결과, 다시금 이들 링 팬의 강도를 증가시키는 동시에, 링 팬의 냉각 공기 유동 용량을 향상시키는 방법에 대한 요구가 대두되었다. 이러한 요구는 대형 산업용 엔진과 자동차 엔진에 대한 증가되는 냉각 요구치를 만족시키기 위해서 팬의 작동 회전 속도를 증가시킬 때 특히 심각하게 된다.

이러한 요구를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 엔진 냉각 시스템에 사용하기 위한 엔진 구동식 냉각 팬이 고려되며, 팬은 링 타입의 팬이다. 팬은 중앙 허브(central hub)와 이 허브로부터 반경 외측 방향으로 돌출한 복수의 팬 블레이드를 포함하며, 이들 블레이드 각각은 허브에 연결된 블레이드 루트(blade root)와 블레이드의 반대편 단부에 있는 블레이드 팁(blade tip)을 구비한다. 블레이드 각각은 또한 팬의 입구측(inlet side)에 리딩 에지(leading edge)와 팬의 출구측(outlet side)에 트레일링 에지(trailing edge)를 한정한다. 냉각 팬은 또한 복수의 팬 블레이드 각각의 블레이드 팁에 연결된 외주 링(circumferential ring)을 포함한다.

본 발명의 일 양태에서, 외주 링은 팬의 출구측에 반경 외측 방향으로 벌어진 림(radially outwardly flared rim)을 포함한다. 이 벌어진 림은 보관이나 운송을 위해서 팬들이 적층될 때 다른 냉각 팬의 외주 림(rim) 위에 포개어 놓을 수 있도록 적응된 벌어진 표면(flared surface)을 한정한다. 벌어진 림은 소정 개수의 냉각 팬의 적층의 높이를 감소시키며, 적층의 안정성을 증가시킨다.

본 발명의 특정 실시예의 다른 특징에서는, 팬 블레이드 각각이 블레이드의 후면에 부착된 지지 베인(support vane)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 지지 베인은 블레이드의 루트와 리딩 에지에 인접한 곳에서 시작되는 제 1 단부와, 블레이드 루트와 블레이드 팁의 사이에서 블레이드의 트레일링 에지에서 끝나는 대향의 제 2 단부를 갖는다. 바람직하게는, 지지 베인은 팬 블레이드의 후면을 따르는 공기 유동 경로의 곡률을 따르도록 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 곡선을 이룬다. 이러한 특징에 의해서, 지지 베인은 냉각 팬을 통과하는 공기 유동이 두절되지 않게 한다.

블레이드의 임계 영역(critical region)에서 팬 블레이드에 부가적인 지지와 강성(stiffness)을 제공하도록, 지지 베인은 블레이드 루트에서 시작된다. 보다 구체적으로, 지지 베인의 위치와 구성은 제 1 모드의 여기 주파수(excitation frequency)가 팬의 최대 회전 속도를 초과하도록 냉각 팬의 제 1 진동 모드의 강성을 증가시킨다.

가장 바람직한 실시예에서, 복수의 팬 블레이드 각각은 루트와 팁 사이의 블레이드 길이를 한정하며, 지지 베인은 블레이드 길이의 절반(first half)이 되는 곳에서 트레일링 에지상의 일 위치(a position)에서 끝난다. 이러한 위치 설정은 다시 지지 베인이 냉각 팬을 통과하는 공기 유동에 미치는 효과를 최소화시킨다.

본 발명의 냉각 팬의 다른 양태에서, 외주 지지 링이 블레이드 루트에 인접하게 중앙 허브에 제공된다. 이러한 특징에 의해서, 링이 지지 베인에 지지 및 강성을 부가할 수 있도록 지지 베인은 지지 링에 부착된다. 가장 바람직하게는, 냉각 팬은 지지 링과 지지 베인의 사이에 연결된 베인 지지 상부구조부(vane support superstructure)를 더 포함한다. 이러한 상부구조부는 팬이 소정 속도로 작동될 때 지지 베인이 받게되는 공력 하중(aerodynamic load)에 반작용하도록 배열된 링과 베인의 사이에 연결된 리브(rib) 배열을 포함할 수 있다. 이러한 상부구조부는 지지 베인의 거의 중간 위치에서 지지 베인으로부터 거의 수직으로 돌출한 각이진 리브(angled rib)를 포함할 수 있다. 베인이 공기 유동 경로를 따르도록 곡선을 이루기 때문에, 수직 리브는 블레이드 루트와 지지 링에 대해서 소정 각도로 돌출하게 된다. 부가적인 반경방향 리브가 블레이드의 리딩 에지에 더 가깝게 제공될 수 있다.

다른 실시예에서, 냉각 팬은 또한 지지 링과 중앙 허브의 사이에 연결된 링 지지 상부구조부를 포함할 수 있다. 이러한 링 상부구조부는 지지 베인에 작용하는 하중에 링 지지 상부구조부가 반작용하는 것을 링이 일조하도록 지지를 제공한다. 바람직하게는, 링 상부구조부는 베인 지지 상부구조부의 리브에 상응하는 리브 배열을 포함한다.

본 발명의 다른 특징에서, 외주 외측 링과 블레이드 팁은 그 사이에 겹침 영역(blend region)을 한정한다. 보다 구체적으로, 이 겹침 영역은 트레일링 에지에 인접한 블레이드 팁 에지와 외주 링의 벌어진 림 사이에 위치한다. 이 겹침 영역은 통상적으로 외측 링과 팬 블레이드 사이의 접합부(junction)에 존재하는 응력 집중부(stress riser)를 제거하며, 이는 블레이드와 링의 분리 위험성을 상당히 감소시킨다. 게다가, 본 발명의 겹침 영역은 삽입물(insert)이 필요없이 투-피스 몰드(two-piece mold : 두 부분으로 이루어진 금형)를 사용하는 전형적인 성형 공 정으로 달성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에서는, 팬 블레이드 각각이 블레이드 강도와 강성을 보존하면서 공기 유동 특성을 최적화하는 고유한 에어포일의 기하학적 형상을 갖는다. 그래서, 본 발명의 하나의 특징은 블레이드 캠버(blade camber)가 블레이드의 반경방향 길이를 따라서 변하는 블레이드의 기하학적 형상을 고려한다. 보다 구체적으로, 캠버는 블레이드 루트로부터 반경방향 길이의 대략 1/6이 되는 위치에서 최소값을 갖는다. 그래서, 캠버는 블레이드 루트로부터 이 위치까지 감소하며, 이 위치 이후부터 블레이드의 트레일링 에지까지 증가한다. 대안적인 실시예에서, 블레이드의 기하학적 형상은 또한 블레이드의 반경방향 길이를 따라서 변하는 코드각(chord angle)을 포함하며, 이 코드각은 반경방향 길이를 따라서 위와 동일한 위치에서 최대값을 갖는다. 마찬가지로, 블레이드는 위와 동일한 위치에서 최대값을 갖는 가변 코드-피치 비(cpr: chord-pitch ratio)를 한정할 수 있다. 이러한 결과의 블레이드는 종래 기술의 팬 블레이드보다 향상된 공기 유동 특성을 갖는다.

본 발명의 일 목적은 엔진 냉각 시스템을 위한 강도와 성능이 최적화된 링 팬을 제공하는 것이다. 다른 목적은 이러한 팬과 다른 팬들과의 적층 가능도(stackability)를 증가시키는 특징에 있다.

본 발명의 하나의 이점은 증가된 제 1 진동 모드 강성을 갖는 링 팬을 제공한다는 것이다. 다른 이점은 이러한 향상된 강성이 팬의 공기 유동 특성에 중대한 영향을 미치지 않으면서도 달성된다는 것이다.

본 발명의 다양한 실시예에 포함된 본 발명의 다른 목적과 이점들은 이하에 기재된 실시예와 첨부된 도면에 대한 고찰을 통해 이해될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 링 팬의 평면도.

도 2는 도 1에 도시된 링 팬의 저면 사시도.

도 3은 도 1과 도 2에 도시된 링 팬의 측면도.

도 4는 라인 4-4를 따라 취해지고 화살표 방향으로 본, 도 1에 도시된 링 팬의 측면 횡단면도.

도 5는 예컨대 도 1에 예시된 팬과 같은 다수의 링 팬이 적층 배열 상태로 도시된 측면 부분 횡단면도.

도 6은 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 링 팬의 일부를 도시하는 확대 사시도.

도 7은 종래 기술의 냉각 팬 구성에 대한 블레이드-링 인터페이스의 확대 부분도.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 블레이드-링 인터페이스의 확대 부분도.

도 9a 내지 9c는 종래 기술의 냉각 팬 블레이드에 대한 블레이드의 기하학적 파라미터(geometry parameter)를 나타내는 그래프.

도 10a 내지 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 팬 블레이드에 대한 블레이드의 기하학적 파라미터를 나타내는 그래프.

본 발명의 원리에 대한 이해를 용이하게 하기 위해서, 이제 도면에 예시된 실시예가 참조될 것이며 이들 실시예를 설명하는데 특정 용어가 사용될 것이다. 하지만, 본 발명의 범위가 이에 의해 국한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 본 발명은 예시된 장치와 설명된 방법에 대한 임의의 변경 및 추가적인 변형과, 본 발명에 관련된 당업자가 통상적으로 유추할 수 있는 본 발명의 원리의 다른 적용예들을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이 링 팬(10)은 중앙 허브 플레이트(12)에 장착된 다수의 블레이드(11)를 포함한다. 허브 플레이트는 팬을 알려진 설계로 이루어진 팬 구동 조립체에 장착시킬 수 있도록 구성된 장착 볼트 링(mounting bolt ring)(13)을 포함할 수 있다. 팬(10)은 팬 블레이드(11) 각각의 블레이드 팁(blade tip)(17)에 고정된 외측 링(outer ring)(15)을 더 포함한다. 도 1의 링 팬(10)은 지금까지 설명된 바와 같이, 알려진 방법으로 제작될 수 있다. 예를 들면, 외측 링(15)과 블레이드(11)는 종래의 알려진 공정으로, 바람직하게는 금속제 허브 플레이트(12) 둘레에 압출 성형되는 고강도 성형가능 폴리머 재료로 형성될 수 있다. 이러한 공정에서, 전형적으로 허브 플레이트(12)는 블레이드(11) 각각의 루트(root)(19)에 형성된 내측 링(16) 내에 성형된다.

블레이드 각각(11)은 링 팬(10)의 유효 입구(effective inlet)에 있는 전면(front face)(22)을 포함한다. 유사하게, 각각의 블레이드는 링 팬의 뒷면(backside) 상에 대향의 후면(25)(도 2 참조)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 아홉 개의 블레이드(11)가 제공될 수 있으며, 블레이드 각각은 블레이드 루트(19)로부터 블레이드 팁(17)까지 거의 균일한 두께를 갖는다. 대안적인 실시예에서, 블레이드(11) 각각은 블레이드의 리딩 에지(leading edge)(11a)로부터 트레일링 에지(trailing edge)(11b)까지 두께가 변할 수 있다. 각각의 블레이드(11)는 바람직하게는 링 팬(10)이 표준 회전 속도 작동 범위 내에서 작동될 때 최대의 공기 유동을 제공하도록 적응된 에어포일-타입의 구성(air foil-type configuration)을 따른다.

도 2를 참조하면, 팬(10)의 외측 링(15)은, 대체로 팬의 출력면(output face)에 배치된, 벌어진 림(flared rim)(28)을 포함하는 것을 알 수 있다. 벌어진 림은 블레이드(11) 각각의 팁(17)으로부터 멀어지는 완만한 곡률(gradual curvature)을 따르는 반경 외측방향으로 벌어진 표면(radially outwardly flared surface)(29)을 한정한다. 팬은 팬 블레이드의 리딩 에지(11a)에 입구측(inlet side)(10a)과, 트레일링 에지(11b)에 반대의 출구측(10b)을 한정한다. 외측 링의 벌어진 림(28)은 팬의 출구측(10b)에 배치된다.

외측 링(15)의 벌어진 림(28)에 의해서 제공되는 하나의 이점이 도 5에 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 5에는 본 발명에 따른 세 개의 링 팬이 도시되어 있는데, 팬(10₁, 10₂ 및 10₃)은 적층되게 배열되어 있다. 전형적으로, 냉각 팬이 제작될 때, 보관 및/또는 최종 사용에게로 운송을 위해서 냉각 팬은 적층되어 진다. 종종, 보관 또는 운송되는 팬의 개수를 최적화하는 것이 중요하며, 이는 적층된 팬의 높이를 증가시키는 것 및/또는 특정 높이 한도 내에 포함될 수 있는 팬의 개수를 증가시키는 것을 요할 수 있다. 본 발명의 벌어진 림(28)은 이러한 두 가지 이 로운 목표 모두에 적합하다. 구체적으로, 벌어진 림(28)은 하부의 인접한 팬의 외측 링(15) 상에 안착될 수 있는, 포갬 면(nesting surface)을 특히 벌어진 표면(29)에 제공한다. 이러한 특성은 서로 상하 관계로 적층된 소정 개수의 팬의 전체적인 높이를 감소시키는데, 이는 각각의 팬이 그 다음 인접한 팬 내에 약간 포개지게 위치되기 때문이다. 더욱이, 림(28)의 벌어진 표면(29)은 팬의 각 적층의 안정성을 증가시키는데 일조하며, 적층이 이동되거나 쓰러지는 것에 저항하도록 만든다.

다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 상기 실시예의 다른 중요한 특징이 인지될 수 있다. 특히, 블레이드(11) 각각은 후면(25) 상에 한정된 지지 베인(30)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 지지 베인(30)은 블레이드(11) 각각과 대략 동일한 두께를 가지며, 팬(10)의 나머지 부분과 함께 성형되도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 지지 베인(30)은 각각의 블레이드(11)의 루트(19)에 인접하게 위치한다. 특정 작동 조건 하에서, 즉 높은 회전 속도와 높은 공기 유동률 하에서, 링 팬(10)은 그 제 1 진동 모드(즉, 드럼과 유사한 진동)에서 여기(excite)될 수 있다. 각각의 블레이드의 블레이드 루트(19)에 있는 지지 베인(30)은 제 1 모드 강성(first mode stiffness)을 증가시키며, 이는 결과적으로 링 팬(10)의 정상 작동 속도 범위를 초과하는 이러한 진동 모드에 대해서 여기 속도(excitation speed)를 증가시킨다.

링 팬(10)의 진동 특성을 향상시키기 위해서 지지 베인(30)의 추가가 중요하지만, 이는 각각의 블레이드(11)의 후면(25)을 가로지르는 공기 유동의 단절을 야기할 수 있다. 그래서, 본 발명의 다른 양태에서, 각각의 지지 베인(30)은 블레이드의 리딩 에지(11a)로부터 트레일링 에지(11b)까지 곡선을 이룬다. 특히, 베인은 도 2에 화살표 'F'로 지칭된 특성 공기 유동 경로(characteristic airflow path)의 곡률을 따른다. 가장 바람직하게는, 지지 베인(30)은 블레이드 루트(19)에 바로 인접한 곳에서 시작되어 블레이드의 트레일링 에지(11b)까지 공기 유동 곡률(F)을 따르며, 블레이드의 반경방향 길이의 대략 1/3되는 지점에서 끝난다.

예시된 실시예에서, 공기 유동 곡률(F)은 혼합 유동 냉각 팬에 공통이다. 예를 들면, 반경 방향 및 축방향 유동 팬과 같은, 다른 타입의 팬에는 다른 유동 벡터(flow vector)가 발생하며, 지지 베인(30)의 곡률이 그에 따라 변경될 수 있다는 것이 고려된다.

지지 베인(30)의 다른 양태에서, 베인은 팬(10)의 내측 성형 링(inner molded ring)(16) 둘레에 박판 링(thin-walled ring)의 형태인 내측 지지 링(35)으로부터 시작된다. 이 지지 링(35)은 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 지지 링(35)의 상부 에지가 팬의 벌어진 림(28)이 이루는 평면을 조금 초과하여 또는 평면으로부터 밖으로 조금 돌출하도록, 팬의 후면으로부터 돌출한 충분한 높이를 가질 수 있다. 하지만, 바람직하게는, 지지 링은 팬을 그 구동 메커니즘에 장착하는데 방해가 될 정도의 높이로 팬의 허브로부터 돌출하지는 않는다.

구체적인 실시예에서, 지지 베인(30)은 그래서 지지 링(35)에서 시작되며 블레이드 루트(19)에서의 지지 링과 동일한 높이를 갖는다. 블레이드 코드(blade chord)가 그 반경 길이를 따라 곡선을 이루기 때문에, 베인이 블레이드 루트로부터 블레이드의 트레일링 에지(11b)의 종점(terminus)까지 가로지름에 따라 지지 베인(30)의 높이는 감소한다. 가장 바람직하게는, 베인의 트레일링 에지(33)가 팬 블레이드(11)의 트레일링 에지에 의해서 형성되는 평면 밖으로 연장되지 않도록 지지 베인은 조각된다.

지지 베인(30)과 그에 수반되는 링(35)은 링 팬(10)의 진동 반응의 제 1 모드의 격렬도(severity)를 감소시키고 주파수를 증가시키도록 작동된다. 하지만, 지지 베인(30) 각각의 유동 가이드 표면(31)을 유지시키기 위해서는 이러한 특징부의 부가적인 강도 보강이 바람직하다. 결과 적으로, 본 발명의 바람직한 실시예의 다른 양태에 따르면, 베인 지지 상부구조부(vane support superstructure)(37)가 베인(30) 각각의 후방 지지 표면(back support surface)(32)과 지지 링(35) 사이에 배치된다. 또한, 지지 링(35) 자체에는 링의 반경 방향 내측에 위치하며 성형 팬(10)의 내측 링(16)에 결합된 링 지지 상부구조부(39)가 제공된다.

베인 지지 상부구조부(37)와 링 지지 상부구조부(39)의 세부 사항들은 도 6에 가장 확실하게 도시되어 있다. 가장 바람직한 실시예에서, 베인 지지 상부구조부(37)는 지지 표면(32)에 접하도록 지지 링(35)으로부터 반경 외측 방향으로 돌출한 한 쌍의 평행한 반경방향 지지 리브(42)를 포함한다. 이들 평행한 반경방향 리브(42)는 각각의 블레이드의 리딩 에지(11a)에 인접하게 배치된다. 게다가, 베인 지지 상부구조부(37)는 지지 베인(30)의 대체적으로 중간 지점에 있는 각이진 베인 지지 리브(angled vane support rib)(47)를 포함한다. 각이진 리브(47)는 그 코드 중간 지점(mid-chord point)에서 지지 베인(30)상에 가해지는 공력(aerodynamic force)에 직접적으로 반작용하도록 배향되어 있다.

지지 링(35)의 편향 또는 진동을 방지하기 위해서, 링 지지 상부구조부(39)는 한 쌍의 반경방향 링 지지 리브(44)와 각이진 링 지지 리브(49)를 포함한다. 반경방향 리브(44)는 베인 지지부를 통해서 팬의 허브 플레이트(12)와 내측 링(16)으로 직접 전달되는 어떠한 하중에도 반작용하도록 반경방향 베인 지지 리브(42)와 정렬되어 있다. 마찬가지로, 다시 상기 방향으로 지지 베인(30)에 작용하는 공력 하중에 직접 반작용하도록 각이진 링 지지 리브(49)는 각이진 베인 지지 리브(47)와 정렬되어 있다.

마지막으로, 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 각이진 링 지지 리브(49) 각각은 내측 링(16)과 허브 플레이트(12) 사이에서 지지 링(35)에 걸쳐있는 거의 수직으로 배향된 브레이스 리브(brace rib)(50)를 포함한다. 이러한 구성에 의해서, 베인 지지 상부구조부(37)와 링 지지 상부구조부(39)는 지지 베인(30)에 적절한 강도와 강성을 제공한다. 이러한 부가적인 지지는 지지 베인으로 하여금 블레이드(11) 각각에 적절한 강도와 강성을 제공할 수 있게 한다. 이러한 강도 보강 특징부의 조합은 링 팬(10)으로 하여금 가능한 최대 속도와 최대 냉각 공기 유동률로 작동할 수 있게 한다.

본 발명의 다른 특징이 도 7과 8에 잘 도시되어 있다. 종래 기술의 알려진 링 팬의 블레이드(B)가 도 7에 예시되어 있으며, 이 도면에는 블레이드 팁이 외주 링(O)에 부착되어 있다. 이와 같은 전형적인 종래의 구성에서, 블레이드 팁 부착은 원형 리세스(radiused recess)(R)에서 이루어진다. 이러한 리세스는 실질적으로 외 측 링(O)을 따라서 내측에 형성되며, 그래서 블레이드 팁의 상당한 길이가 지지되지 않는 상태로 남아있게 된다. 이러한 지지되지 않는 길이는 종래의 팬 블레이드의 정상 사용시에도 팁의 편향이나 심하면 파단이 일어나는 영역(C)을 발생시킨다. 더욱이, 그리고 가장 중요하게는, 블레이드와 링의 인터페이스가 리세스(R)의 반경에서 심각한 응력 집중부를 발생시킬 수 있다. 이러한 응력 집중부는 결국 링으로부터 블레이드 팁의 분리를 초래하며, 이는 흔히 냉각 팬의 작동 불능을 야기한다.

이와 같이 중대한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 도 8에 도시된 바와 같이 외측 링(15)의 벌어진 림(28)과 각각의 블레이드(11)의 팁(17) 사이의 겹침 영역(20)을 고려한다. 특히, 이러한 겹침 영역(20)은 블레이드의 팁 에지(18)와 외측 링(15)의 벌어진 표면(29) 사이에 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 겹침 영역(20)의 추가는 블레이드 팁(17)의 지지되지 않은 길이를 상당히 감소시킨다. 이러한 감소는 다시 정상 사용시에 편향이 발생할 수 있는 영역(C')을 상당히 감소시킨다. 또한, 영역(C')에서 블레이드 파단이 발생하는 경우에, 소실된 재료가 블레이드와 팬의 성능에 미치는 영향이 최소화된다. 부가적인 이점은 특정 팬 설계에서는 블레이드 폭이 증가될 수 있다는 것이며, 그래서 블레이드의 트레일링 에지(11b)가 도 8의 특정 실시예에 도시된 것보다 벌어진 림(28)으로부터 더 돌출할 수 있다.

본 발명에 따른 겹침 영역(20)은 또한 표준 성형 방법에 적합하다. 전통적인 팬 생산 공정에 따르면, 중앙의 금속제 허브 둘레에 폴리머 팬을 압출 성형하는데 투 피스 몰드(two piece mold: 두 부분으로 이루어진 금형)가 사용된다. 팬 설계에 있어서의 많은 특징들이 투 피스 몰드의 절반부들의 분리 방향(parting direction) 및 이동가능한 성형 삽입물의 사용을 없애고자 하는 바램에 의해서 정해진다. 도 7에 도시된 종래 기술의 블레이드 구성은 성형 삽입물 없이 수월하게 달성될 수 있는 블레이드 설계를 예시한다.

본 발명의 블레이드와 겹침 영역은 종래의 블레이드 설계로부터 블레이드 팁에 약간의 재료의 추가를 수반한다. 이와 같이 추가된 재료는 투 피스 몰드의 분리 방향에 적합한 겹침 영역(20)에서 블레이드의 볼록부(convex side)에 가해진다. 그래서, 본 발명의 블레이드 강도 보강 특성은 성형 공정의 복잡성과 비용을 증가시키지 않고도 달성될 수 있다.

본 발명은 여전히 본 발명의 다른 특징에 의해 발생되는 강도 특성을 유지하면서, 팬(10)의 공기 유동 출력을 향상시키는 고유한 블레이드의 기하학적 형상에 대해서도 또한 고려한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 양태에서는 도 10a 내지 10c의 그래프에 예시된 기하학적 파라미터에 따라 제작된 블레이드를 고려한다. 이 블레이드의 기하학적 형상은 표준 설계 파라미터 즉, 강률(solidity), 코드각(chord angle) 및 블레이드 루트로부터 반경 방향 길이의 함수인 캠버로 표현된다. 강률은 블레이드 면적의 상대 측정치이며, 가끔 코드 대 피치 비(cpr: chord-pitch-ratio)로 지칭된다. 이 파라미터는 특정의 반경 위치에서 블레이드 간격의 함수이다. 코드각은 팬의 회전 평면에 대해서 블레이드 코드가 이루는 각이다. 캠버는 블레이드 곡률의 측정치이며, 보다 구체적으로는 특정의 반경 위치에서의 코드 길이에 대한 캠버 높이의 백분율이다.

도 10a 내지 10c의 그래프에 도시된 바와 같이, 강률과 코드각에 대한 최대값과, 캠버에 대한 최소값은 모두 동일한 팬 반경에서 발생한다. 바람직한 실시예에서, 이러한 반경은 블레이드 전체 길이의 약 1/6에 해당한다. 강률과 코드각의 값은 이러한 최대값으로부터 완만하게 감소하는 반면, 캠버 파라미터는 완만하게 증가한다. 본 발명에 따르면, 강률과 코드각의 값은 이들 각각의 최대값에서 블레이드 루트 또는 팁 중 어느 하나에서의 상응하는 값보다 훨씬 더 크다. 예를 들면, 블레이드의 강률 파라미터는 대략적으로 루트에서는 0.90 그리고 팁에서는 0.60의 값을 갖고, 최대값은 대략 1.05를 갖는다. 코드각은 블레이드 루트에서의 36°로부터 최대값 40°까지 증가하며, 결국에는 블레이드 팁에서의 약 27.5°까지 감소한다. 이 두 파라미터 모두의 경우에, 최대값은 블레이드 루트에서의 값보다 적어도 10%더 크다. 마지막으로, 캠버 값은 루트에서 0.12의 값으로 시작하여 팁에서 0.13으로 끝나는데, 최소값으로는 약 0.113을 갖는다.

본 발명의 블레이드의 기하학적 형상에 대한 신규성은 도 9a 내지 9c의 그래프에 도시된 종래 기술의 블레이드 설계와 비교함으로 인지될 수 있다. 하나를 제외하고, 어떠한 종래의 블레이드 설계도 강률 또는 코드각에서 실질적인 최대값을 보여주지 못했다. 가장 중요한 것은, 어떠한 종래의 설계도 본 발명의 캠버 곡선 즉, 블레이드 루트로부터 블레이드 길이의 1/6이 되는 곳에서의 최소값까지 감소하며 그리고 나서 블레이드 팁까지 다시 증가하는 곡선을 고려하지 못했다는 것이다.

본 발명에 따른 블레이드의 기하학적 형상은, 특히 블레이드 루트에서 종래의 링 팬 블레이드 설계보다 증가된 강도를 제공하면서, 회전하는 팬 블레이드에 의해 발생되는 냉각 공기 유동을 최적화시킨다. 이러한 블레이드의 기하학적 형상은 매우 다양한 냉각 팬에 사용될 수 있다는 것이 이해된다. 특정의 예시된 실시예에서, 블레이드의 기하학적 형상은 혼합 유동 링 팬에 적용된다. 동일한 기하학적 형상이 축방향 및 반경방향 유동 팬뿐만 아니라 링이 없는 팬에도 사용될 수 있다.

본 발명이 도면과 전술한 상세한 설명을 통해서 상세히 예시되고 기술되었지만, 이는 예시적인 것 일뿐이며 문자적으로 국한되지 않는다고 이해되어야 한다. 바람직한 실시예만이 도시되고 설명되었지만 본 발명의 사상 내에 존재하는 모든 변경과 변형이 보호되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 예컨대 산업용 엔진 또는 자동차 엔진에 의해 구동되며 이들 엔진을 냉각시키는데 사용되는 냉각 팬과, 링 팬 및 팬 블레이드의 설계에 이용될 수 있다.

Claims

엔진 냉각 시스템에 사용하기 위한 엔진 구동식 냉각 팬(10)으로서,

중앙 허브(hub)(12)와,

상기 허브(12)로부터 반경 외측 방향으로 돌출한 복수의 팬 블레이드(11)로서, 상기 블레이드(11) 각각은 상기 허브에 연결된 블레이드 루트(blade root)(19)와 그 대향 단부에 블레이드 팁(blade tip)(17)을 구비하며, 상기 블레이드(11) 각각은 상기 팬의 입구측(inlet side)(10a)에 리딩 에지(leading edge)(11a)와 상기 팬의 출구측(outlet side)(10b)에 트레일링 에지(11b)를 한정하며, 상기 블레이드는 상기 팬(10)의 상기 입구측(10a)을 향해 있는 전면(22)과 상기 팬(10)의 상기 출구측(10b)을 향해 있는 대향의 후면(25)을 또한 한정하는, 복수의 팬 블레이드(11)를

포함하며,

상기 블레이드(11) 각각은 상기 후면(25)에 부착된 지지 베인(support vane)(30)을 포함하며, 상기 지지 베인(30)은 상기 블레이드 루트(19)와 상기 리딩 에지(11a)에 인접한 곳에서 시작되는 제 1 단부와, 상기 블레이드 루트(19)와 상기 블레이드 팁(17) 사이에서 상기 트레일링 에지(11b)에서 끝나는 대향의 제 2 단부를 구비하고,

상기 냉각 팬(10)은 상기 복수의 팬 블레이드(11)의 상기 블레이드 루트(19)에 인접하게 상기 허브(12)에 부착된 외주 지지 링(circumferential support ring)(35)을 더 포함하며, 여기서 상기 지지 베인(30)의 상기 제 1 단부는 상기 지지 링(35)에 부착되는, 냉각 팬.
제 1항에 있어서, 상기 지지 베인(30)은 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 곡선을 이루는, 냉각 팬.
제 2항에 있어서, 상기 지지 베인(30)은 상기 팬 블레이드(11) 각각의 상기 후면(25)을 가로지르는 공기 유동 경로(F)에 상응하게 곡선을 이루는, 냉각 팬.
제 1항에 있어서, 상기 복수의 팬 블레이드(11) 각각은 상기 루트(19)와 상기 팁(17) 사이의 블레이드 길이를 한정하며,

상기 지지 베인(30)은 상기 블레이드 루트(19)로부터 상기 블레이드 길이의 절반(first half)이 되는 곳에서 상기 트레일링 에지(11b) 상의 하나의 위치에서 끝나는, 냉각 팬.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부의 사이에서 상기 지지 링(35)과 상기 지지 베인(30)의 사이에 연결된 베인 지지 상부구조부(vane support superstructure)(37)를 더 포함하는, 냉각 팬.
제 6항에 있어서, 상기 지지 베인(30)은 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 곡선을 이루는, 냉각 팬.
제 7항에 있어서, 상기 베인 지지 상부구조부(37)는 상기 지지 베인(30)의 중간 위치에서 상기 곡선을 이루는 지지 베인(30)으로부터 거의 수직으로 돌출한 각이진 리브(angled rib)(47)를 포함하는, 냉각 팬.
제 6항에 있어서, 상기 지지 링(35)과 상기 중앙 허브(12) 사이에 연결된 링 지지 상부구조부(39)를 더 포함하는, 냉각 팬.
제 9항에 있어서, 상기 베인 지지 상부구조부(37)는 상기 지지 베인(30)과 상기 지지 링(35) 사이에 연결되며 반경 방향으로 배향되고 각이진 리브(42, 47)의 배열을 포함하며,

상기 링 지지 상부구조부(39)는 상기 베인 지지 상부구조부(37)의 상기 반경방향으로 배향되고 각이진 리브(42, 47)의 상응하는 리브와 정렬된 리브(44, 49)의 배열을 포함하는, 냉각 팬.
제 1항에 있어서, 상기 지지 링(35)은 평면을 한정하는 상기 중앙 허브(12)로부터의 높이를 가지며,

상기 지지 베인(30)은 상기 지지 베인(30)을 상기 평면에서 유지시키도록 적응된 상기 팬 블레이드(11) 각각의 상기 후면(25)으로부터의 높이를 한정하는, 냉각 팬.
엔진 냉각 시스템에 사용하기 위한 엔진 구동식 냉각 팬(10)으로서,

중앙 허브(12)와,

상기 허브(12)로부터 반경 외측방향으로 돌출한 복수의 팬 블레이드(11)로서, 상기 블레이드(11) 각각은 상기 허브(12)에 연결된 블레이드 루트(19)와 그 대향 단부에 위치하며 팁 에지(tip edge)(18)를 갖는 블레이드 팁(17)을 구비하며, 상기 블레이드 각각은 상기 팬(10)의 입구측(10a)에 리딩 에지(11a)와 상기 팬(10)의 출구측(10b)에 트레일링 에지(11b)를 한정하는, 복수의 팬 블레이드(11)와,

상기 팬의 상기 출구측에 반경 외측방향으로 벌어진 림(flared rim)(28)을 한정하는 외주 링(15)을

포함하며,

여기서 상기 외주 링(15)은 상기 블레이드(11)의 상기 리딩 에지(11a)로부터 상기 트레일링 에지(11b)에 근접한 겹침 영역(blend region)(20)까지 상기 복수의 팬 블레이드(11) 각각의 상기 팁 에지(18)의 상당히 넓은 부분에 연결되며, 상기 겹침 영역(20)은 상기 외주 링(15)의 상기 벌어진 림(28)에 연결되는, 냉각 팬.
엔진 냉각 시스템에 사용하기 위한 엔진 구동식 냉각 팬(10)으로서,

중앙 허브(12)와,

상기 허브(12)로부터 반경 외측방향으로 돌출한 복수의 팬 블레이드(11)로서, 상기 블레이드(11) 각각은 상기 허브(12)에 연결된 블레이드 루트(19)와 그 대향 단부에 블레이드 팁(17)을 가지며 상기 루트(19)와 상기 팁(17) 사이의 반경방향 길이를 한정하는, 복수의 팬 블레이드(11)를

포함하며,

여기서 상기 팬 블레이드(11) 각각은 상기 블레이드(11)의 반경방향 길이를 따라 변하는 캠버(camber)를 한정하며, 상기 캠버는 상기 블레이드 루트(19)로부터 상기 반경방향 길이의 약 1/6이 되는 위치에서 최소값을 갖는, 냉각 팬.
제 13항에 있어서, 상기 팬 블레이드(11) 각각은 상기 블레이드(11)의 상기 반경방향 길이를 따라 변하는 코드각(chord angle)을 한정하며, 상기 코드각은 상기 반경방향 길이를 따르는 상기 위치에서 최대값을 갖는, 냉각 팬.
제 13항에 있어서, 상기 팬 블레이드(11) 각각은 상기 블레이드(11)의 상기 반경 방향 길이를 따라서 변하는 코드 대 피치 비(cpr: chord-pitch-ratio)를 한정하며, 상기 코드 대 피치 비는 상기 반경방향 길이를 따르는 상기 위치에서 최대값을 갖는, 냉각 팬.
제 13항에 있어서, 상기 복수의 팬 블레이드(11) 각각의 상기 블레이드 팁(17)에 연결된 외주 링(15)을 더 포함하는, 냉각 팬.
엔진 냉각 시스템에 사용하기 위한 엔진 구동식 냉각 팬(10)으로서,

중앙 허브(12)와,

상기 허브(12)로부터 반경 외측방향으로 돌출한 복수의 팬 블레이드(11)로서, 상기 블레이드(11) 각각은 상기 허브(12)에 연결된 블레이드 루트(19)와 그 대향 단부에 블레이드 팁(17)을 구비하며, 상기 블레이드(11) 각각은 상기 팬의 입구측(10a)에 리딩 에지(11a)와 상기 팬의 출구측(10b)에 트레일링 에지(11b)를 한정하는, 복수의 팬 블레이드(11)와,

상기 복수의 팬 블레이드(11) 각각의 상기 블레이드 팁(17)에 연결된 외주 링(15)으로서, 그 위에 적층된 다른 냉각 팬(10)의 상기 외주 링(15)과 접하도록 구성된 상기 팬(10)의 상기 출구측(10b)에 반경 외측방향으로 벌어진 림(28)을 한정하는, 외주 링(15)을

포함하는, 냉각 팬