KR100978594B1 - 블레이드 선단에 일치하는 플레어형 보호판 및 팬을 구비한자동차의 팬 조립체 - Google Patents

Abstract

자동차 엔진의 냉각 팬 조립체(10)에 있어서 고효율 및 저소음은 보호판 배럴(20)에 대하여 입구부(241)를 플레어형으로 하고 팬 블레이드(4)의 선단(46)을 상기 입구부의 형상에 일치하도록 성형함으로써 달성된다. 상기 블레이드 선단의 축방향 길이에 걸쳐 플레어형 입구부를 연장함으로써 상기 팬에 유입되는 유동 박리가 감소되고, 전체 블레이드 선단에 따른 재순환을 조절함으로써 선단 간극 손실이 감소된다. 블레이드 경사도를 이용하여 팬 편향을 최소화함으로써, 작은 선단 간격을 이용할 수 있데, 이것이 성능을 더욱 증대시킨다.

Description

블레이드 선단에 일치하는 플레어형 보호판 및 팬을 구비한 자동차의 팬 조립체 {AUTOMOTIVE FAN ASSEMBLY WITH FLARED SHROUD AND FAN WITH CONFORMING BLADE TIPS}

본 출원은 2000년 6월 16일자 미국 가출원 제60/211,988호를 기초로 하는 우선권 주장 출원으로, 이 가출원의 내용을 본 명세서에 참고로 포함한다.

자동차 중의 엔진은 일반적으로 액체-공기 열교환기 또는 라디에이터를 통하여 펌핑되는 액체 냉매에 의하여 냉각된다. 냉매와 공기 사이의 밀도 차이 때문에, 일반적으로 라디에이터는 폭이 비교적 좁지만 냉각 공기가 통과하는 정면부는 면적이 넓다. 기타 차량의 공기 조화 시스템용 응축기와 같은 열교환기도 유사한 구성이며, 종종 라디에이터와 직렬로 냉각된다.

이들 열교환기는 일반적으로 차량의 정면, 즉 차체 내의 개구(開口) 뒤에 위치하므로, 차량의 전진 이동으로 인한 고압은 이들 열교환기를 통하여 공기를 이동시킬 수 있다. 그러나, 냉각 조건이 가혹한 경우 또는 차량이 이동 중에 있지 않은 경우에는, 열교환기의 상류측 또는 하류측의 어느 한 곳에 팬 조립체를 결합함으로써 그 열교환기를 통하여 충분한 공기가 이동하는 것이 보장된다.

일반적으로, 팬 조립체에는 팬과, 이 팬을 둘러싸는 것으로서 열교환기와 팬 사이로 공기를 안내하는 보호판이 포함되어 있다. 일반적으로, 상기 팬은 상기 보호판에 부착되거나 그 보호판과 일체형인 브라켓에 의하여 지지되는 전기 모터에 의하여 구동된다. 후드 하부 공간의 제약 때문에, 상기 보호판은 일반적으로 깊이는 최소인 반면에 동시에 넓은 면적의 열교환기 표면을 덮어야 한다. 이 때문에, 다량의 냉각 공기가 실질적으로 [부(負)의] 반경 방향으로부터 팬에 도달하게 되고, 그 냉각 공기가 상기 팬의 선단(先端) 영역을 통하여 유동하여야 하는 경우에 거의 90도를 회전하여야 한다. 만약 이 냉각 공기가 충분히 회전하지 못하면, 보호판 표면으로부터 박리(separation)되고, 팬의 효율 및 음향학적 성능을 저하시키게 된다.

팬 설계시의 또 다른 제약은 팬의 소음이 소비자에게 용인될 수 있어야 한다는 것이다. 팬의 소음에는 광대역의 소음 및 음조(音調)의 양자가 포함되는데, 상기 음조는 팬이 어떤 비대칭적 유입과의 상호 작용에 의하여 발생한다. 이들 음조를 최소화하는 한 가지 방법은 블레이드 설계에 스큐(skew)를 포함시키는 것이다. 그러나, 스큐형 블레이드에는 방사상(放射狀) 블레이드에서는 경험하지 못하는 구조적인 문제점이 있다.

팬 조립체의 설계에는 기타 여러 가지 제약이 있다. 한 가지 요건은 팬과 보호판을 제작하는 비용이 저렴하여야 한다는 것이다. 이러한 이유 때문에, 팬은 통상적으로 플라스틱제 사출 성형시킨 부품이다. 팬과 보호판 사이의 간극은 제작 공차 뿐만 아니라 그 부품들의 사용시의 편향에 적응하여야 한다. 이들 편향은 장기 간의 크리프(creep)를 포함하며, 시간, 온도 및 습도에 좌우된다. 팬의 편향은 원심력과 공기 역학적인 힘으로부터 발생하며, 반경 방향 성분과 축방향 성분의 양자를 포함한다. 팬 조립체는 그 팬이 언제든지 상기 보호판과 접촉하지 않고, 여전히 상기 팬과 보호판 사이의 누출이 효율 또는 소음에 지나치게 해가 되지 않는 충분히 작은 간극을 갖도록 설계되어야 한다. 누출이 일어나는 특성이 상이한 두 가지 형식의 팬이 이러한 용도에 사용되어 왔다.

제1 형식의 팬은 상기 간극이 보호판과 회전 블레이드의 단부 사이에 있는 자유 선단형(先端形) 팬이다. 이 자유 선단형 팬의 블레이드는 일반적으로 구성상 거의 방사상이며, 단지 스큐의 양이 적을 뿐이다. 일반적으로, 상기 블레이드는 반경이 일정한 선단형이므로, 거의 방사상인 이들의 구성에 의하여 최소로 되는 반경 방향 편향만이 보호판과의 접촉을 일으킬 수 있다. 도 1a는 전형적인 자유 선단형 엔진 냉각 팬이다.

제2 형식의 팬은 블레이드 선단이 회전 밴드에 부착되는 밴드형 팬이다. 재순환이 일어나는 간극은 상기 회전 밴드와 보호판 사이에 있다. 이러한 구성의 한 가지 장점은 다양한 누출 조절 장치(미국 특허 제5489186호)를 이용함으로써 누출 유동을 최소화할 수 있다는 것이다. 또 다른 장점은 상기 밴드가 블레이드의 편향을 최소화하는 스큐형 블레이드의 구조적 지지체를 제공할 수 있다는 것이다(미국 특허 제4569631호 및 제4569632호).

이들 두 가지 형식의 팬에는 결점들이 있다.

자유 선단형 팬의 효율은 선단 간극에 따라 크게 좌우된다. 공기는 압력측으 로부터 흡입측까지 블레이드 선단 주위에서 유동하므로, 선단 영역 내에서 블레이드에 교차하는 압력차를 줄이고 집중된 선단 와류(渦流)를 발생시킨다. 이 와류는 손실 메카니즘이며 소음 발생원이 될 수 있다. 도 1b에 나타낸 바와 같은 구성은 선단 간극을 최소화하지만, 보호판 배럴상의 작은 입구 반경 때문에 유동 박리라는 희생이 있다. 도 1c는 더욱 전형적인 자유 선단형 팬 조립체를 나타내고 있는데, 여기서는 블레이드 선단의 전방부를 팬 플리넘(plenum) 내로 연장시키고 입구 반경을 넉넉하게 채택함으로써 박리가 최소화하도록 한다. 그러나, 이 구성에서는 블레이드 선단의 후방부에서만 작은 간극이 유지되기 때문에, 블레이드 선단 누출 손실이 더 커진다. 자유 선단형 팬은 특히 저항성이 더 큰 작동 지점에서 밴드형 팬보다 소음이 더 커지는 경향이 있다. 이들 팬에 대한 실속(失速)은 더 극단적이고 더 급격하다.

밴드형 팬들은 자유 선단형 팬에 대한 선단 간극 손실을 감소시켜 왔으나, 이들에는 회전 밴드의 추가적인 점도(粘度) 손실이 있다. 이들 손실은 부하가 가볍게 걸리고 발생되는 압력 및 유동에 대하여 팬 속도가 비교적 높은 작동 지점에서 특히 심하다. 이러한 작동 지점들은 이들이 토크가 낮은 저렴한 모터의 사용을 가능하게 하기 때문에, 자동차에 적용시에는 일반적이다. 밴드형 팬에 부수하는 손실의 또 다른 원인은 밴드에서의 유동 박리이다. 도 1d에 나타나 있는 바와 같이, 주형 조건 때문에 밴드의 내부 표면은 블레이드의 축방향에 대하여 실질적으로 원통형이어야 한다. 밴드의 정면부에 립(lip)을 추가하는 것이 보통이지만, 빈틈 없는 공간 요건 때문에 상기 립은 그 범위가 당연히 제한적이다. 종종 유동 박리가 그 결과이 다. 회전 밴드는 약간의 소음 및 진동 문제도 역시 일으킨다. 밴드의 임의의 축방향 편심은 큰 짝힘 불균형을 초래하므로 차량에 진동 문제를 일으킬 수 있다. 또한, 밴드형 팬의 큰 관성 모멘트는 팬의 동력을 끌 때에 그 팬의 타성 저감(惰性低減) 시간을 연장한다. 이 타성 저감 과정은 차량에 불쾌한 소음을 일으킬 수 있다. 이들 성능 문제 이외에, 밴드형 팬은 자유 선단형 팬보다 제작 비용이 더 고가일 수 있다. 반경이 큰 밴드의 질량은 밴드형 팬으로 하여금 자유 선단형 팬보다도 별도의 균형 작업을 요하게 될 가능성이 더 많다. 밴드형 팬은 자유 선단형 팬에 요하는 것보다 더 많은 재료의 사용을 요하며, 밴드 내에 결합선이 존재하면 그렇지 않은 경우에 사용하여야 하는 것보다 더 고가의 재료를 요한다.

본 발명의 한 가지 목적은 팬과 보호판 사이의 누출을 최소화함으로써, 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체의 효율을 최대로 하고자 하는 것이다.

또 다른 목적은 유동 박리를 최소화함으로써, 팬 조립체의 효율을 최대로 하고자 하는 것이다.

또 하나의 목적은 팬에 의하여 발생하는 소음을 최소화하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 제작시 사용되는 플라스틱 재료의 양과 비용을 최소화함으로써 저비용의 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

또 하나의 목적은 팬의 정적 불균형과 짝힘 불균형을 최소화함으로써, 팬을 균형시키는 비용과 차량 내의 진동량을 줄이고자 하는 것이다.

또 하나의 목적은 팬의 관성 모멘트를 최소화하여, 팬의 동력을 끌 때의 타성 저감 공정을 단축시키고자 하는 것이다.

본 발명은 자동차 엔진의 비(非)밴드형 냉각 팬과 보호판의 조립체이다. 상기 보호판은 입구부가 플레어형(flared)인 배럴을 구비하고, 각 블레이드 선단의 적어도 일부는 상기 입구부의 형상에 일치한다. 상기 블레이드 선단의 반경은 이 부분의 하류측 단부에서보다 상기 일치부의 상류측 단부에서 더 크다.

양호한 실시 상태에 있어서, 전체 블레이드 선단은 보호판 입구부 형상에 일치한다. 또한, 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 블레이드 선단과 보호판 사이의 간극은 대략 일정하다. 상기 선단 간극은 전체 블레이드 선단에 걸쳐 실질적으로 최소 값으로 유지되기 때문에, 선단 간극 손실과 팬 소음은 최소로 된다. 그 밖에, 이 설계에 의하여 허용되는 큰 입구부 플레어(flare)는 유동 박리를 최소화한다. 또한, 이것은 팬 효율을 최대로 하고 소음을 최소로 한다.

한 가지 특정한 실시 상태에 있어서, 블레이드 선단은 보호판 플레어에 일치하는 상기 블레이드 선단 부분의 상류측을 연장시킨다. 이 실시 상태에 있어서, 상기 상류측 부분의 축방향 범위는 블레이드 선단의 축방향 범위보다 대략 0.3배 더 작다.

플레어형 입구부의 보호판 배럴의 하류측은 대략 원통형일 수 있다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 블레이드 선단은 보호판 플레어형 입구부의 하류측 단부의 하류측으로 연장된다. 이 실시 상태에 있어서, 이 하류측 부분의 축방향 범위는 상기 블레이드 선단의 축방향 범위보다 대략 0.5배 더 작다.

양호한 실시 상태에 있어서, 블레이드 후연부(後緣部)의 축방향 위치에서의 보호판 배럴의 반경은 이 보호판 배럴의 최소 반경을 팬 직경의 0.02배를 초과하지 않는다. 보호판 반경은 보호판 내부의 공기 통로의 반경을 말한다.

한 가지 실시 상태에 있어서, 보호판 배럴은 블레이드 선단의 후연부의 하류측에서 내측으로 계단부를 이룰 수 있다.

또 하나의 실시 상태에 있어서, 보호판 배럴의 종단과 블레이드 선단의 후연부 사이의 거리가 상기 블레이드 선단의 축방향 길이보다 대략 0.5배 더 작다는 점에서, 상기 보호판 배럴은 비교적 짧다. 양호한 실시 상태에 있어서, 이 거리는 블레이드 선단의 축방향 길이보다 대략 0.3배 더 작다.

또한, 본 발명은 블레이드 선단에서의 편향을 최소화하는 블레이드의 입체 구조에 특징이 있다. 한 가지 실시 상태에 있어서, 팬은 방사상 블레이드형이고, 선단은 팬 직경보다 3% 작게 전방으로 경사(rake)를 이루고 있다. 양호한 실시 상태에 있어서, 팬은 스큐형이다. 바람직하게는, 상기 팬에는 이 팬이 전방으로 굽힌 영역에는 전방 경사각(rake angle)이 있고, 상기 팬이 약 15도 이상 후방으로 굽힌 영역에는 후방 경사각이 있다.

양호한 실시 상태에 있어서, 팬은 허브(hub) 근처에서는 전방으로 굽혀 있고, 블레이드 선단 근처에서는 후방으로 굽혀 있으며, 허브 근처에는 전방 경사각이 있고 블레이드 선단 근처에는 후방 경사각이 있다.

또 다른 실시 상태에 있어서, 팬은 허브 근처에서는 후방으로 굽혀 있고, 블 레이드 선단 근처에서는 전방으로 굽혀 있으며, 허브 근처에는 후방 경사각이 있고 블레이드 선단 근처에는 전방 경사각이 있다.

양호한 실시 상태에 있어서, 플레어 형상은 대략 타원이며, 플레어형 입구부 표면 위의 모든 지점 및 근사(近似)한 타원 위에 있는 대응하는 지점 사이의 거리는 팬의 직경보다 0.5% 작다. 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 근사한 타원은 축방향 및 반경 방향 반축(半軸)을 갖도록 배치되며, 상기 축방향 반축은 블레이드 선단의 축방향 범위의 약 0.5배 내지 2.0배 정도이고, 상기 반경 방향 반축은 축방향 반축의 약 0.4배 내지 1.0배 범위이다. 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 축방향 반축은 팬 직경의 0.04배 내지 0.14배 범위이고, 반경 방향 반축은 팬 직경의 0.02배 내지 0.11배 범위이다.

양호한 실시 상태에 있어서, 블레이드 선단의 일치부의 상류측 단부의 반경은 상기 블레이드 선단의 일치부의 하류측 단부의 반경보다 약 2% 내지 15% 큰 범위이다.

양호한 실시 상태에 있어서, 블레이드 선단과 보호판 사이의 최소 간극은 팬 직경의 약 0.007배 내지 0.02배 범위이다. 블레이드의 전연부(前緣部)와 보호판 사이의 일정한 반경에서 측정된 축방향 거리는 팬 직경의 약 0.011배 내지 0.034배 범위이다.

양호한 실시 상태에 있어서, 블레이드 선단의 일치부에 의하여 구부러진 메리디오날(meridional) 평면 내의 곡선 위에 있는 각 지점과 근사한 타원 위에 있는 대응하는 지점 사이의 거리는 팬의 직경보다 0.5% 작다. 가장 양호한 실시 상태에 있어서, 플레어형 입구부 및 블레이드 선단의 형상들에 근사한 타원들은 수직 방향 반축과 반경 방향 반축을 갖도록 배치되고, 이들 두 개의 타원의 축방향 반축 사이의 거리는 반경 방향 반축 사이의 거리와 같거나 그보다 더 크다.

양호한 실시 상태에 있어서, 팬 선단의 전연부는 보호판의 플레어형 입구부의 상류측 연부의 하류측에서의 팬 직경의 0.04배 이하이다.

양호한 실시 상태에 있어서, 블레이드 선단의 현(弦)은 팬 직경의 약 0.2배 내지 0.4배이다.

한 가지 실시 상태에 있어서, 본 발명의 팬 조립체는 열교환기의 하류측에 장착된다. 양호한 실시 상태에 있어서, 보호판은 열교환기 정면의 면적을 덮는 플리넘을 포함하는데, 이 플리넘은 적어도 팬 디스크 면적의 1.5배이다. 특히, 이 실시 상태는 큰 입구부 플레어에 유리한 점이 있는데, 이것이 본 발명의 하나의 특징이다. 플리넘 영역으로부터의 유동은 그 유동이 팬 배럴로 접근함에 따라 반경 방향 성분이 커지고, 그러한 입구부 플레어의 부재하에 박리가 일어날 가능성이 있다.

또 다른 실시 상태에 있어서, 상기 팬 조립체는 열교환기의 상류측에 장착된다.

상기 양호한 실시 상태에 있어서, 팬과 보호판은 사출 성형된 플라스틱으로 제작된다. 가장 양호한 실시 상태에 있어서, 상기 보호판은 단일 부품으로서 성형된다.

도 2a는 각종 블레이드 매개 변수를 보여 주고 있는 종래 기술의 팬 블레이드의 개략도이다. 상류측으로부터 볼 때, 팬(10)은 시계 방향으로 회전하는 좌회전 팬이다. 블레이드(4)의 전연부(41)는 중간현(中間弦)의 선(42)과 후연부(43)에 앞서서 회전한다. 반경 "r"에서의 스큐각 φ는 블레이드 루트부(45)에서 상기 중간현 지점을 관통하는 반경 방향의 선(60)과 반경 "r"에서의 상기 단면도의 중간현의 선을 관통하는 반경 방향의 선(62) 사이의 각도이다. 반경 "r"에서의 중간현의 굽힘각(Λ)은 반경 방향의 선(62)과 중간현의 선에 국부적으로 접하는 접선(64) 사이의 각도라고 정의된다. 도시된 팬은 전방으로 굽은 형식, 즉 블레이드가 회전 방향으로 굽힌 형식이다.

도 2b는 상기 팬 블레이드의 원통형 단면도이며, 전연부(411), 후연부(431) 및 단면의 중간현 지점(421)을 나타내고 있다. 현의 길이 "c"는 전연부로부터 후연부까지의 직선 길이이다.

도 2c는 팬 허브의 단면도이며, 팬 블레이드(4)의 "굽힘" 상태도이다. 선(47)은 반경 방향 위치의 함수로서의 블레이드 전연부의 축방향 위치를 나타낸다. 이와 유사하게, 선(48)은 블레이드 중간현의 축방향 위치를 나타내고, 선(49)은 반경 방향 위치의 함수로서의 블레이드 후연부를 나타낸다. 반경 "r"에서의 경사도(rake)는 반경 "r"에서의 중간현의 선(48)과 블레이드 루트부에서의 중간현의 선(48) 사이의 축방향 거리라고 정의된다. 반경 "r"에서의 경사각, Θ는 상기 선(48)이 그 반경에서 회전축에 대하여 수직인 평면과 이루는 각도이다.

도 3a는 자동차의 라디에이터와 응축기, 그리고 본 발명에 따른 보호판과 방사형 블레이드 팬의 단면도를 나타낸다. 응축기(50)는 라디에이터(40)의 정면부에 장착되고, 여기에 보호판(20)이 부착된다. 보호판(20)은 플리넘(22)과 배럴(24)을 형성한다. 배럴(24)은 플레어형 입구부(241)와 원통형부(242)로 구성된다. 복수 개의 고정자(26)가 배럴(24)로부터 내측으로 연장되고 모터 장착구(28)를 지지한다. 이 모터 장착구(28)에 부착된 전기 모터(30)가 팬(10)을 구동한다. 팬은 허브(2)와, "굽힘" 상태로 나타낸 복수 개의 블레이드(4)로 구성된다. 팬 블레이드(4)의 선단(46)의 형상은 상기 배럴의 형상에 일치한다.

도 3a에 나타낸 구성의 장점은 작은 선단 간극이 블레이드 선단의 전체 범위에 걸쳐 유지되는 한편, 동시에 보호판 표면으로부터 유동이 박리되는 경향을 최소화하도록 상기 유동이 점진적으로 접촉되도록 한다는 것이다. 이러한 상황은, 작은 선단 간극은 유지되지만, 매우 작은 입구부 타원에 힘입어, 박리, 비효율성 및 소음이 발생되기 쉬운 도 1b에 나타낸 것에 비하여 유리할 수 있다. 또한, 도 3a에 나타낸 장치는, 큰 선단 간극에 힘입어, 큰 입구부 타원을 얻게 되는 도 1c에 나타낸 것에 비하여 유리할 수 있는데, 이 역시 비효율성과 소음을 발생시킨다.

도 3a에 나타낸 플레어형 입구부의 입체 구조는 반축, ar 및 ax를 가진 1/4 타원에 근사하다. 그러나, 동등하게 양호한 성능은 단지 타원에 근사한 입구부 형상에 의하여 얻어질 수 있는데, 양호한 근사 값은 상기 상기 입체 구조가 하나의 타원으로부터 팬 직경의 ±0.5% 변화되는 값이다. 도 3a의 중간현의 선(48)은 작은 전방 경사도를 나타내는데, 이 경사도는 원심력 하중하에서 방사형 블레이드 팬의 편향을 최소화한다. 그 밖의 점에 있어서, 원심력 하중 및 공기 역학적 하중의 양자에 기인하는 축방향 편향은 작동 중에 간극을 증대시키기 쉽다. 그러나, 경사도가 너무 크면, 하류측에 축방향 편향이 생기게 되며, 이는 팬과 보호판 사이에 접촉을 초래할 수 있다.

블레이드 입체 구조를 최적화하면 하중하에서의 팬의 편향을 최소화할 수 있지만, 이 편향은 결코 제거될 수는 없다. 예상되는 편향과 기타 몇 가지 요인들에 의하여 블레이드 선단과 보호판 사이에 요구되는 간극이 결정된다. 축방향에서 요구되는 간극, ga는 종종 반경 방향에서의 간극, gr보다 더 크다.

도 3a에 나타낸 실시 상태에 있어서, 팬 블레이드(4)의 선단(46)은 보호판 배럴 입구부(241)에 대하여 대략 일정한 간극, g를 유지하기 위한 형상으로 되는데, 여기서 g는 보호판 표면에 대하여 수직 방향에서 측정된다. 블레이드 선단의 형상은 도 3b 중의 선단의 형상 "a"에 대응한다. 이러한 선단 형상에 의하여, 블레이드 선단과 보호판 사이의 축방향 간극은 블레이드 전연부에서 최소로 된다는 것을 알 수 있다. 이 최소 간극이 요구되는 간극 ga보다 작으면, 이러한 선단의 형상은 불만족스럽게 된다. 선단의 형상 "b"는 일정한 축방향 간극, ga의 선을 나타내는데, 여기서 상기 ga는 gr보다 두 배 큰 것으로 간주된다. 허용 가능한 선단의 형상은 블레이드 선단의 후방부에 대하여는 선단의 형상 "a"를 따르고, 전방부에 대하여는 선단의 형상 "b"를 따른다. 가일층 보수적인 접근은 선단의 형상 "c"를 이용하려는 것인데, 이것은 요구되는 최소의 축방향 및 반경 방향 간극을 충족시키는 단일한 타원이다. 가장 보수적인 선단의 형상은 "d"인데, 여기서 블레이드는 보호 판에 접촉하기 전에 축방향으로 거리, ga 및 반경 방향으로 거리, gr를 동시에 이동할 수 있다. 이 마지막 접근 방식은 블레이드 선단에 따른 위치 함수로서 예측되는 편향을 반영하도록 수정될 수 있다.

도 3c는 도 3a에 도시된 팬의 상류측으로부터 본 도면을 나타내는 것으로서, 블레이드의 반경 방향 특성을 나타낸다. 블레이드 선단(46)은 일정한 반경선(半徑線) 위에 위치하지는 않지만, 그 대신 상기 블레이드 선단의 전연부(412)는 그 블레이드 선단의 후연부(432)의 반경 Rte보다 더 큰 반경 Rle 위에 위치한다. 선단의 현의 길이 ctip는 선단의 후연부의 반경 Rte에서의 블레이드의 현의 길이라고 정의될 수 있고, 팬의 직경 D는 상기 반경의 두 배에 상당하도록 취할 수 있다. 팬 디스크의 면적은 직경이 D인 원의 면적으로 취할 수 있다.

도 3d는 도 3a 및 도 3c에 도시된 팬의 몇 가지 원통형 블레이드 단면을 나타내는데, 이들 도면에 나타나 있는 바와 같이, 그의 관찰점은 블레이드 루트부(45)의 중간현 지점(452)을 통과하는 선을 따라 취한 것이다.

도 4a는 본 발명에 따른 스큐형 팬의 상류측으로부터 본 도면을 나타낸다. 중간현의 선(42)의 굽힘은 블레이드 루트부(45) 근처에서는 회전 방향(전방 굽힘)이지만 선단(46) 근처에서는 그 반대 방향인 것을 볼 수 있다. 스큐형 블레이드의 장점은 1) 전연부가 유동을 통하여 사각(斜角)으로 이동한다는 사실에 기인하는 난류 유입성 소음의 감소와, 2) 원주상(圓周狀) 유동의 불균일성에 의하여 발생되는 음향학적 음조의 감소이다. 도 3b에 나타난 반경 방향 팬의 경우와 같이, 블레이드 선단의 전연부의 반경 Rle은 그 블레이드 선단의 후연부의 반경 Rte보다 크다.

도 4b는 도 4a의 보호판과 스큐형 팬의 단면도이다. 도 3a에 나타낸 방사형 블레이드 팬의 경우와 같이, 팬 블레이드(4)의 선단(46)의 형상은 보호판 배럴 입구부(241)에 대하여 간극이 대략 일정하게 유지되도록 된 형상이다. 고정자(26)의 원주상 위치에 배치되는 외부 리브(25)도 역시 나타나 있는데, 이것은 더 큰 강성(剛性)을 제공하고 보호판 배럴의 원형 입체 구조를 유지하는 데 기여하게 된다.

스큐형 블레이드의 잠재적인 단점은, 원심력 하중하에서 상기 블레이드가 일반적으로 방사형 블레이드보다 더 반경 방향 및 축방향의 양방향으로 편향된다는 것이다. 본 발명에 따라 팬과 보호판을 제작하는 경우에는, 전방 편향이 선단 간극의 증대를 초래하고 후방 편향이 팬과 보호판 사이의 접촉을 야기할 수 있는 잠재성이 있다는 점에서 축방향 편향이 특히 문제로 된다. 그러나, 블레이드를 적절하게 경사시킴으로써, 축방향 편향을 최소화할 수 있고, 또는 약간 전방으로 향하도록 설계할 수 있는데, 그 까닭은 선단 간극의 증가는 보호판의 접촉보다는 훨씬 덜 심한 결과를 가져오기 때문이다. 도 4b의 중간현의 선(48)은 블레이드 루트부 영역에서는 양(상류측)의 경사각, 선단 영역에서는 부(하류측)의 경사각을 나타내고 있다. 이러한 경사도 분포는 도 4a에 나타낸 스큐 분포와 "조화(調和)"를 이루고, 편향을 최소화한다. 그 밖의 장점으로서, 이것의 정미 효과(正味效果)는 상기 팬이 방사형 팬의 위치에 대하여 전방으로 이동하며, 그 결과 더욱 소형의 조립체를 얻게 되는 것이다.

도 4c는 도 4a 및 도 4b에 나타낸 팬의 몇 가지의 원통형 단면도를 나타내고 있는데, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 그 관찰점은 블레이드 루트부(45)의 중간 현 지점(452)을 통과하는 선을 따라 취한 것이다. 성능 요건에 의하여 비틀림과 캠버(camber)가 지시된 경우에는 가능한 한 평면으로 되는 방식으로 블레이드 단면들이 "적층"된다는 것을 알 수 있다.

기타의 스큐 분포도 역시 가능하다. 도 5a는 스큐 형식의 팬의 상류측으로부터 본 도면을 나타내는데, 여기서 루트부 근처에서는 후방으로 경사되지만 선단 근처에서는 전방으로 경사된다는 것을 알 수 있다. 선단에서의 전방향 스큐는 팬으로 하여금 고압에서 효율적으로 그리고 정숙(靜肅)하게 작동하도록 해준다.

도 5b는 도 5a의 고리형 보호판(20)과 스큐형 팬(10)의 단면도를 보여주고 있다. 고리형 보호판은 열교환기(40, 50)의 비교적 작은 부분을 덮으므로, 그 결과 팬은 비교적 높은 압력으로 된다. 이것은 선단이 전방으로 경사진 팬에 대한 적절한 적용예이다. 본 발명에 의하면, 팬 블레이드(4)의 선단(46)은 보호판 배럴 입구부(241)에 대하여 대략 일정한 간극을 유지하도록 성형된다.

도 5c는 도 5a 및 도 5b에 나타낸 팬의 몇 가지의 원통형 단면도를 나타내고 있는데, 이들 도면에 나타나 있는 바와 같이, 그 관찰점은 블레이드 루트부(45)의 중간현 지점(452)을 통과하는 선을 따라 취한 것이다. 전술한 실시예들의 경우와 마찬가지로, 이들 블레이드 단면은 평면의 입체 구조 내에 가능한 한 많이 "적층"된다는 것을 알 수 있다.

도 6은 보호판(20)이 열교환기(40, 50)의 상류측에 장착되는 팬 조립체의 단면도이며, 팬(10)은 도 4a, 4b 및 4c에 도시된 것이다. 본 발명에 의하면, 팬 블레이드(4)의 선단(46)은 보호판 배럴 입구(241)에 대하여 거의 일정한 간극을 유지하 도록 성형된다. 배럴(24)은 팬 블레이드 선단의 후연부(463)의 하류측으로 짧은 거리에서 종단된다. 고정자(26)는 방사형 리브(23)에 의하여 지지된다. 이러한 입체 구조의 장점은 간단한 공구를 사용하여 보호판(20)을 단일체로 사출 성형할 수 있다는 것이다 .

도 7은 본 발명의 또 다른 실시 상태에 따른 보호판과 팬의 단면도를 나타낸것이다. 블레이드 선단(46)의 후방부(465)는 보호판 배럴(24)의 형상에 일치한다. 그러나, 전방부(464)는 보호판 배럴(24)에는 일치하지 않지만, 그 대신 이 영역 내의 팬과 보호판 사이의 간극이 상당히 더 커지게 한다. 이러한 구성은 패키징의 제약 때문에 보호판의 깊이에 심한 제한이 따를 때에 유리하게 될 수 있다. 그러한 경우, 도 3a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이, 전체 블레이드 선단을 감싸는 팬 배럴이 매우 깊기 때문에 플리넘(22)에 이용할 수 있는 공간이 불충분할 수가 있다. 불충분하게 깊은 플리넘은 열교환기를 통한 불균일한 유동을 증가시키고 필요한 팬 동력을 증가시키는 결과를 초래한다. 도 7에 나타낸 구성은, 일부의 블레이드 선단 근처에서의 누출 증가와 관련되는 작은 효율 손실을 대가로 하여, 충분한 깊이의 팬 공간을 유지하는 데 이용될 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시 상태에 따른 보호판과 팬의 단면도를 나타낸것이다. 보호판 배럴(24)은 블레이드 선단(46)의 후연부의 하류측에 계단부(243)를 포함한다. 고정자(26)는 이 계단부(243)에 의하여 지지되고, 이어서 상기 계단부는 외부 보호판 리브(25)에 의하여 지지된다. 이러한 구성은 블레이드 선단(46)과 보 호판 배럴(24) 사이의 간극을 통한 누출 유동을 감소시킬 수 있다. 이것은 시스템 저항이 높은 몇 가지 적용예에 있어서 소음을 줄이는 데 유익하다는 것을 알게 되었다.

도 9a는 본 발명의 또 다른 실시 상태에 따른 보호판과 팬의 단면도를 나타낸 것이다. 보호판 배럴(24)은 팬 블레이드 선단(46)의 후연부의 축방향으로 짧은 거리에서 종단된다. 고정자(26)는 외부 보호판 리브(25)의 연장부이다. 이러한 구성은 시스템 저항이 높은 경우에, 소음을 줄이는 데 유리하다는 것을 알게 되었다. 또 한 가지 유리한 점은 엔진 파손이라는 역효과를 감소시키는 것이다. 이러한 유리한 점들을 달성하는 또 하나의 구성은 도 9b에 나타나 있다. 여기서, 고정자(26)는 보호판 배럴(24)의 국부적인 연장부에 의하여 지지되는데, 이 연장부는 이어서 외부 리브(25)에 의하여 지지된다.

도 1a, 1b 및 1c는 종래 기술의 자유 선단 형식의 팬과 두 가지 대체 보호판 구성의 개략도이다. 도 1d는 종래 기술의 밴드 형식의 팬과 보호판의 개략도이다.

도 2a, 2b 및 2c는 각종 블레이드 매개 변수를 정하고 있는 종래 기술의 팬 블레이드의 개략도이다.

도 3a, 3b, 3c 및 3d는 본 발명에 따른 팬 조립체의 개략도로서, 보호판은 열교환기의 하류측에 장착되고 팬은 방사형 블레이드이다.

도 4a, 4b 및 4c는 본 발명에 따른 팬 조립체의 개략도로서, 보호판은 열교환기의 하류측에 장착되고, 팬 블레이드는 루트부(root)에서는 전방으로 굽혀 있으며, 선단부에서는 후방으로 굽혀 있다.

도 5a, 5b 및 5c는 본 발명에 따른 팬 조립체의 개략도로서, 보호판은 열교환기의 하류측에 장착되는 고리형 보호판이고, 팬 블레이드는 루트부에서는 후방으로 굽혀 있으며, 선단부에서는 전방으로 굽혀 있다.

도 6은 본 발명에 따른 팬 조립체의 개략도로서, 보호판은 열교환기의 상류측에 장착되고, 팬 블레이드는 루트부에서는 전방으로 굽혀 있으며, 선단부에서는 후방으로 굽혀 있다.

도 7은 보호판 형상과 일치하는 팬 블레이드 선단의 후방부만을 나타내고 있는 팬 및 보호판의 개략도이다.

도 8은 본 발명의 또 하나의 실시 상태에 따른 보호판 및 팬의 단면도이다.

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 두 가지 또 다른 실시 상태에 따른 보호판 및 팬의 단면도이다.

Claims (35)

1. 보호판(20)과 팬(10)을 포함하며 열교환기(40, 50)의 하류측에서 작동하도록 구성된, 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체로서, 상기 보호판은 상기 팬을 둘러싸는 배럴(24)을 포함하고, 상기 팬은 중앙 허브(2)와 복수 개의 블레이드(4)를 포함하며, 상기 블레이드는 각각 루트부(root;45)와 선단(先端;46)을 구비하고, 이 선단은 전연부(前緣部)와 후연부(後緣部)를 포함하고 굽힘각(sweep angle)과 경사각(rake angle)을 지니며, 상기 배럴(24)은 플레어형 입구부(241)를 포함하고, 각 블레이드 선단(46) 부분이 상기 보호판 배럴의 플레어형 입구부의 전부 또는 일부에 일치하도록 성형되며, 상기 일치부의 상류측 단부에서의 블레이드 선단의 반경은 상기 일치부의 하류측 단부에서의 블레이드 선단의 반경보다 더 큰 것인 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체에 있어서,

   상기 팬의 축선을 포함하는 평면에서의, 상기 입구부의 일치부의 표면과 상기 팬의 축선의 방향 사이의 각도는, 상기 하류측 방향으로 점진적으로 감소하고, 상기 보호판은 상기 배럴의 상류측 및 상기 열교환기의 하류측에 플리넘(22)를 더욱 포함하고, 상기 플리넘의 면적은 상기 팬 디스크 면적을 초과하며,

   상기 팬이 전방으로 굽힌 영역에는 전방 경사각이 있고, 상기 팬이 15도 이상 후방으로 굽힌 영역에는 후방 경사각이 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 보호판에 대하여 수직 방향으로 측정한 상기 블레이드 선단의 일치부와 상기 보호판 사이의 간극은 상기 일치부의 범위에 걸쳐 ±20% 이하로 변화하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
3. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 선단은 전체 축방향 범위에 걸쳐 플레어형 입구부에 일치하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
4. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 선단의 전연부는 플레어형 입구부로의 입구의 축방향 하류측에 위치하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
5. 제4항에 있어서, 상기 블레이드 선단의 전연부는 플레어형 입구부로의 입구의 축방향 하류측에서 상기 팬 직경보다 0.04배 작은 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
6. 제1항에 있어서, 상기 플레어형 입구부에 일치하는 부분의 상류측인 블레이드 선단 부분의 축방향 범위는 전체 블레이드 선단의 축방향 범위보다 0.3배 작은 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
7. 제1항에 있어서, 상기 배럴은 상기 플레어형 입구부의 하류측에 원통형인 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 플레어형 입구부에 일치하는 부분의 하류측에 있는 블레이드 선단의 축방향 부분은 전체 블레이드 선단의 축방향 범위보다 0.5배 작은 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
9. 제1항에 있어서, 상기 보호판 배럴은 블레이드 선단의 후연부의 하류측에 계단부를 포함하고, 이 계단부의 반경은 상기 블레이드 선단의 후연부의 축방향 위치에서의 보호판 배럴의 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
10. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 선단의 후연부의 축방향 위치에서의 보호판 배럴의 반경과 상기 보호판 배럴의 최소 반경의 차이는 팬의 직경의 0.02배 이하인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
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17. 제1항에 있어서, 플레어형 입구부의 표면 위의 모든 지점과 근사(近似)한 타원 위의 대응하는 지점 사이의 거리가 팬의 직경의 0.5%보다 작은 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
18. 제17항에 있어서, 상기 근사한 타원의 하나의 반축은 축방향이고 다른 하나의 반축은 반경 방향인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
19. 제18항에 있어서, 상기 근사한 타원의 반경 방향 반축은 이 타원의 축방향 반축의 0.4배 내지 1.0배 범위에 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
20. 제18항에 있어서, 상기 근사한 타원의 축방향 반축은 상기 블레이드 선단의 축방향 범위의 0.5배 내지 2배 범위에 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
21. 제18항에 있어서, 상기 근사한 타원의 축방향 반축은 상기 팬의 직경의 0.04배 내지 0.14배 범위에 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
22. 제18항에 있어서, 상기 근사한 타원의 반경 방향 반축은 상기 팬의 직경의 0.02배 내지 0.11배 범위에 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
23. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 선단의 일치부의 상류측 단부의 반경은 이 블레이드 선단의 일치부의 하류측 단부의 반경보다 2% 내지 15% 범위에 있는 값만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
24. 제1항에 있어서, 상기 보호판에 대하여 수직 방향으로 측정한 상기 블레이드 선단과 보호판 사이의 최소 간극은 팬의 직경의 0.007배 내지 0.02배 범위에 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
25. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 선단과 보호판 사이의 최소 축방향 거리는 상기 팬의 직경의 0.011배 내지 0.034배 범위에 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
26. 제17항에 있어서, 상기 블레이드 선단의 일치부의 반경 방향 좌표와 축방향 좌표는 커브를 형성하고, 이 커브 위의 모든 지점과 근사한 타원 위의 대응하는 지점 사이의 거리는 상기 팬의 직경의 0.5%보다 작은 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
27. 제26항에 있어서, 플레어형 입구부의 형상에 근사한 타원은 축방향 반축과 반경 방향 반축을 가지고, 블레이드 선단의 형상에 근사한 타원은 축방향 반축과 반경 방향 반축을 가지며, 상기 블레이드 선단의 형상에 근사한 타원의 축방향 반축은 상기 플레어형 입구부의 형상에 근사한 타원의 축방향 반축보다, 블레이드 선단의 형상에 근사한 타원의 반경 방향 반축이 플레어형 입구부의 형상에 근사한 타원의 반경 방향 반축을 초과하는 양만큼 또는 그 이상으로 더 큰 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
28. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 선단의 현의 길이는 상기 팬의 직경의 0.2배 내지 0.4배 범위에 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
29. 제1항에 있어서, 상기 보호판은 상류측 열교환기의 후방에 장착되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
30. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플리넘에 의하여 덮이는 열교환기 정면부의 면적은 적어도 상기 팬 디스크 면적의 1.5배인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
31. 제1항에 있어서, 상기 보호판은 하류측 열교환기의 전방에 장착되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
32. 제1항에 있어서, 상기 팬과 보호판은 사출 성형된 플라스틱으로 제작되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
33. 제32항에 있어서, 상기 보호판은 단일 부품으로 성형되는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
34. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 선단의 후연부와 상기 보호판 배럴의 하류측 연부 사이의 축방향 거리는 상기 블레이드 선단의 축방향 범위보다 0.5배 작은 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.
35. 제34항에 있어서, 상기 블레이드 선단의 후연부와 상기 보호판 배럴의 하류측 연부 사이의 축방향 거리는 상기 블레이드 선단의 축방향 범위보다 0.3배 작은 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 냉각 팬 조립체.

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