KR100901204B1 - 원심 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심 임펠러에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 중심부에 회전축이 설치되는 회전축공이 형성되고, 상기 회전축공에서 원주방향을 향한 면이 상기 회전축에 대하여 둔각을 유지하도록 직선 또는 소정의 곡률반경으로 하향 경사지게 형성되는 베이스판(11)과; 상기 베이스판(11)의 상면에 반경방향으로 배열되게 설치되는 다수개의 블레이드(13)와; 상기 블레이드(13)의 전면에 설치되고, 그 중앙부에는 유체가 흡입되도록 흡입구(15')가 형성되며, 상기 흡입구(15')에서 원주방향을 향한 선단으로 갈수록 하향경사져 상기 베이스판(11)과의 사이에 유체가 이동되는 확대관로(17)를 형성하는 스크롤케이싱(15)을 포함하여 구성된다. 본 발명에 의하면, 원심 임펠러(10)에서 베이스판(11)의 경사각도가 0도에서 17도 사이의 범위로 경사지게 형성되므로 회전축의 회전에 의해 원심방향으로 밀려진 고속의 유체가 베이스판(11)과 스크롤케이싱(15) 사이의 확대관로(17)를 통해 원활하게 이동될 수 있는 이점이 있다.

송풍기, 원심임펠러, 베이스판, 경사각

Description

원심 임펠러{Centrifugal impeller}

본 발명은 원심 임펠러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방사성 블레이드에 의해 밀려난 유체의 원주방향 토출을 원활하게 하는 원심 임펠러에 관한 것이다.

고속회전을 통해 발생되는 흡입력을 이용하여 유체를 이송하는 장치를 원심 송풍기라 한다. 상기 원심 송풍기는 주로 출력의 증강이 요구되는 진공청소기 또는 차량의 엔진 등에 주로 사용되는 것으로 상기 원심 송풍기에서 유체의 흡입은 고속회전되는 원심형 임펠러에 의해 이루어진다.

도 1a와 도 1b에는 종래기술에 의한 원심형 임펠러의 구조가 정면도 및 측면도로 도시되어 있다.

이에 도시된 바에 의하면, 상기 원심형 임펠러(1)는 중앙부에 회전축공을 가지는 베이스판(3)과 상기 베이스판(3)의 상면에 반경방향으로 설치되는 방사성 블레이드(5) 및 상기 블레이드(5)의 전면에 설치되는 스크롤케이싱(7)을 포함하여 구성된다.

상기 원심형 임펠러(1)는 고속회전을 통하여 축 방향으로 유체를 유입함으로써 상기 유체가 원형의 베이스판(3)위에 설치된 방사 방향의 블레이드(5)들 사이를 통과하는 과정에서 운동에너지를 얻어 반경방향으로 토출되게 하는 역할을 한다.

상기 원심형 임펠러(1)에서 유체가 공급되는 원리는 상기 베이스판(3)에 반경방향으로 배치된 블레이드(5)의 회전에 의해 유입된 유체가 밀려나가며, 이 과정에서 저압부가 연속적으로 생성되는 반복적인 작용에 의해 연속적 유체의 공급이 이루어지는 것이다. 이때, 상기 원심형 임펠러(1)의 회전힘에 의해 발생되는 원심력에 의해 밀려난 유체는 상기 블레이드(5)와 블레이드(5) 사이의 통로를 통과하여 상기 스크롤케이싱(7)과 베이스판(3) 사이에 형성되는 확대 관로(9)로 이동된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 상기 원심형 임펠러(1)에서 베이스판(3)의 형상은 수평인 판상이다. 이와 같이 상기 베이스판(3)이 수평인 판상으로 상기 원심형 임펠러(1)의 축과 수직을 이루면, 상기 원심형 임펠러(1)의 축과 흡입된 유체의 운동방향이 직각을 이루므로 상기 원심형 임펠러(1)의 회전힘에 의해 발생되는 원심력에 의해 밀려난 고속의 토출 유체가 원활하게 확대관로(9)로 이동하기가 용이하지 않은 문제점이 있다.

특히, 상기 베이스판(3)의 수평인 구조는 제품의 소형화 요구에 의해 상기 베이스판(3)과 스크롤케이싱(7) 사이의 간격을 더 좁아지게 하므로 고속으로 이동되는 유체의 충돌 저항을 가중시켜 소음을 발생시켜 상기 원심형 임펠러(1)의 효율을 저하시키는 원인이 된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고속의 토출 유체가 베이스판과 스크롤케이싱 사이의 통로로 원활하게 이동되도록 베이스판을 임펠러의 회전축에 대해 둔각으로 유지하는 원심 임펠러를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중심부에 회전축이 설치되는 회전축공이 형성되고, 상기 회전축공에서 원주방향을 향한 면이 상기 회전축에 대하여 둔각을 유지하도록 직선 또는 소정의 곡률반경으로 하향 경사지게 형성되는 베이스판과; 상기 베이스판의 상면에 반경방향으로 배열되게 설치되는 다수개의 블레이드와; 상기 블레이드의 전면에 설치되고, 그 중앙부에는 유체가 흡입되도록 흡입구가 형성되며, 상기 흡입구에서 원주방향을 향한 선단으로 갈수록 하향경사져 상기 베이스판과의 사이에 유체가 이동되는 확대관로를 형성하는 스크롤케이싱을 포함하며,
상기 베이스판의 경사진 각도는 손실계수를 구하는 식

와,

에 의해 산출된다.

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본 발명에 의하면, 원심 임펠러에서 베이스판의 경사각도가 0도에서 17도 사이의 범위로 경사지게 형성되므로 회전축의 회전에 의해 원심방향으로 밀려진 고속의 유체가 종래에 비해 상대적으로 넓어진 확대관로를 통해 원활하게 이동될 수 있는 효과가 있다.

또한, 제품의 소형화 요구에 의해 상기 베이스판과 스크롤 케이싱 사이의 간격이 더 좁아지게 되더라도 상기 베이스판이 상기 스크롤케이싱과 동일한 방향으로 경사져 상기 임펠러의 축과 흡입된 유체의 운동방향이 직각이 아닌 둔각을 이루게 하므로 고속으로 이동되는 유체의 충돌 저항을 감소시켜 소음 감소는 물론, 상기 원심 임펠러의 효율을 증대시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 의한 원심 임펠러를 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2a와 도 2b에는 본 발명에 의한 원심 임펠러의 바람직한 실시예가 정면도 및 측면도로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명 실시예에 의해 유체가 확대관로를 통해 이동되는 모습이 유체흐름도로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명 실시예에 의한 베이스판의 각도와 손실계수의 관계가 그래프로 도시되어 있다.

이에 도시된 바에 의하면, 원심 임펠러(10)는 중앙부에 회전축공(미도시)을 가지는 베이스판(11)과 상기 베이스판(11)의 상면에 반경방향으로 배열되게 설치되는 블레이드(13) 및 상기 블레이드(13)의 전면에 설치되는 스크롤케이싱(15)을 포함하여 구성된다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 베이스판(11)은 상기 원심 임펠러(10)의 하부 외관을 형성하는 것으로 대략 원형의 판상이다. 상기 베이스판(11)은 상기 원심 임펠러(10)의 회전축(미도시)과 둔각을 이루도록 그 중심부에서 원주방향을 향한 선단으로 갈수록 직선으로 또는 소정의 곡률반경으로 하향 경사지게 형성된다. 보다 상세하게는, 상기 베이스판(11)은 아래서 설명될 수학식에 의해 산출되는 θ범위로 경사지게 형성된다. 상기 베이스판(11)의 경사는 아래에서 설명될 확대관로(17)의 유동 단면적을 종래에 비해 상대적으로 넓어지게 한다.

여기서 상기 베이스판(11)의 경사를 θ범위로 설정하는 것은 상기 원심 임펠러(10)가 소형화되더라도 상기 베이스판(11)의 경사각도를 조절하여, 상기 베이스판(11)과 아래에서 설명될 스크롤케이싱(15) 사이의 확대관로(17)의 유동 단면의 크기를 종래보다 상대적으로 넓게하여 상기 유체가 확대관로(17)를 통해 원활하게 이동될 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 상기 원심 임펠러(10)의 축방향과 유체의 운동방향이 직각을 이룸에 의해 발생될 수 있는 상기 유체의 충돌 저항을 감소하기 위함이다.

상기 베이스판(11)의 중심부에는 상하로 관통되게 회전축공이 형성된다. 상기 회전축공에는 구동력에 의해 구동되는 회전축이 결합된다.

상기 블레이드(13)는 대략 납작한 판상으로 상기 베이스판(11)과 스크롤케이싱(15) 사이에 다수개가 반경방향으로 배열되게 설치된다. 상기 블레이드(13)는 상기 회전축의 회전에 의해 상기 베이스판(11) 및 스크롤케이싱(15)과 함께 회전되면서 흡입된 고속의 토출 유체를 확대관로(17)로 이동되도록 밀어내는 역할을 한다.

상기 스크롤케이싱(15)은 상기 원심 임펠러(10)의 상부 외관을 형성하는 부분으로 상기 스크롤케이싱(15)의 중앙부에는 유체가 흡입되도록 상기 회전축공과 연통되는 흡입구(15')가 형성된다. 상기 스크롤케이싱(15)은 상기 베이스판(11)과 대응되는 대략 원형의 판상으로 상기 흡입구(15')에서 원주방향을 향한 선단으로 갈수록 하향 경사지게 형성된다.

상기 블레이드(13)가 설치된 상기 베이스판(11)과 스크롤케이싱(15)의 사이를 확대관로(17)가 형성한다. 상기 확대관로(17)는 상기 흡입구(15')를 통해 흡입된 유체가 이동하는 통로에 해당된다. 상기 스크롤케이싱(15)의 형상에 의해 상기 확대관로(17)는 상기 흡입구(15')쪽에서 상기 원심 임펠러(10)의 원주방향을 향하는 선단으로 갈수록 유동 단면이 작아지고 경사져 형성된다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 상기 원심 임펠러(10)에서 상기 베이스판(11)의 경사각(θ)은 0도에서 17도 사이인 것이 바람직하다. 이는 아래에서 설명될 실시예를 통해 산출된 최적의 값이다. 상기 경사각이 큰 경우에는 상기 원심 임펠러(10)의 압력손실이 증대되어 에너지 손실이 발생되므로 상기 경사각(θ)의 범위를 적절하게 선정하는 것이 중요하다.

아래의 수학식(1)은 상기 베이스판(11)과 스크롤케이싱(15) 사이의 바람직한 경사각의 범위를 산출하기 위한 식이다.

(1)

(2)

여기서 K는 유동유체의 손실계수, v는 블레이드와 블레이드 사이를 통과하는 유체의 평균유속, g는 중력가속도, H_loss는 관로 단면 확대에 의한 손실 양정이다. 상기 식에서 K는 손실계수이며, 상기 손실계수 K는 확대관로의 확대 정도를 표시하는 경사각(θ)에 의해 산출되는 값이다.

상기 수학식(2)는 θ에 대한 손실계수(K)값의 변화를 나타낸 식으로 완전 발달 난류 흐름에 대한 손실계수의 측정을 수행하여 얻은 결과에 의해 정의된 식이다. 특히, 상기 베이스판(11)의 각도를 0도에서 17도의 범위로 설정한 것은 최적화 기법인 신경망 활용 기법을 통해 최적의 경사각(θ)을 결정한 것이다. 상기한 바와 같이 결정된 경사각(θ)값에 따른 손실계수(K) 값은 도 4에 도시된 그래프를 통해서 그 개선된 정도를 확인할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 원심 임펠러의 경사각의 범위를 구하는 것을 상세하게 설명하기로 한다.

우선, 도 2b에 도시된 상기 베이스판(11)의 각도에 따른 손실계수(K)를 정의된 수학식(2)에 의해 산출한다. 이때, 상기 스크롤케이싱(15)과 블레이드(13)는 동일한 조건으로 설정하고 상기 베이스판(11)의 각도만을 변화시켜 손실계수(K)를 산출한다.

상기 손실계수(K)의 산출은 시료를 활용한 실험을 통해서 이루어지는바, 전압과 정압의 차이를 이용한 동압의 크기를 측정한 후, 상기 값으로부터 평균유속을 이용한 정압과의 비로서 그 크기를 확인할 수 있다. 상기 베이스판(11)의 경사각도에 따른 손실계수(K)의 값의 변화는 도 4의 그래프에서 확인할 수 있다.

도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 손실계수(K)는 상기 베이스판(11)의 각도가 0도에서 17도의 범위에서 급격한 손실을 보이지 않음이 확인된다.

이상과 같이, 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명의 속하는 기술 분야의 통상 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1a와 도 1b는 종래기술에 의한 원심형 임펠러의 구조를 보인 정면도 및 측면도.

도 2a와 도 2b은 본 발명에 의한 원심 임펠러의 바람직한 실시예를 보인 정면도 및 측면도.

도 3은 본 발명 실시예에 의해 유체가 확대관로를 통해 이동되는 모습을 보인 유체흐름도.

도 4는 본 발명 실시예에 의한 베이스판의 각도와 손실계수의 관계를 보인 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:원심 임펠러 11:베이스판

13:블레이드 15:스크롤케이싱

15':흡입구 17:확대관로

Claims (3)

1. 중심부에 회전축이 설치되는 회전축공이 형성되고, 상기 회전축공에서 원주방향을 향한 면이 상기 회전축에 대하여 둔각을 유지하도록 직선 또는 소정의 곡률반경으로 하향 경사지게 형성되는 베이스판과;

   상기 베이스판의 상면에 반경방향으로 배열되게 설치되는 다수개의 블레이드와;

   상기 블레이드의 전면에 설치되고, 그 중앙부에는 유체가 흡입되도록 흡입구가 형성되며, 상기 흡입구에서 원주방향을 향한 선단으로 갈수록 하향경사져 상기 베이스판과의 사이에 유체가 이동되는 확대관로를 형성하는 스크롤케이싱을 포함하며,

   상기 베이스판의 경사진 각도는 손실계수를 구하는 식

   

   와,

   

   에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 원심 임펠러.
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3. 삭제

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