KR101085301B1 - 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 흡기관과 연결되는 관 형상의 관부와, 블로워의 입구와 결합하고 관부의 일단에 수직하게 연장되는 판 형상의 판부를 포함하는 플랜지; 및 관부의 일측 외주면으로부터 이격 배치된 원주부와, 관부와 원주부 사이에 형성된 개구를 막아 밀폐된 공명공간을 형성하는 측부를 포함하는 케이스를 구비하되, 이러한 케이스에 의해 밀폐된 관부의 부분에는 원주방향으로 다수의 공명홀이 관통되며, 상기 관부의 외주면과 상기 원주부의 내주면 사이의 공명공간에 개재되는 흡음재를 더 구비하는 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치가 제공된다.
제공된 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치에 의하면, 별도의 소음장치를 추가하지 않고도 기존 플랜지의 구조를 간단히 변경함으로써 응용된 헬름홀츠 공명기와 유사한 효과를 가지기 때문에, 난류와 블로워의 블레이드 사이에서 상호작용에 의해 발생하는 광대역 소음과 블레이드의 회전마찰에 의한 공기소음을 저감시킬 수 있다.
연료전지, 흡기관, 공명기, 흡음재, 소음, 진동
Description
본 발명은 연료전지 자동차의 흡기관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유입되는 난류의 공기와 블로워의 블레이드 사이에서 상호 작용에 의해 발생하는 광대역 소음과 블레이드의 회전력에 의해 공기와 부딪혀서 발생하는 마찰소음을 저감시키기 위한 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 높은 관심, 의식 변화 및 급격한 유가 상승은 고연비 친환경 자동차의 필요성을 절실하게 하였다. 이미 여러 자동차 회사들은 단기적으로 보다 진화된 형태의 하이브리드 자동차(HEV;Hybrid Electric Vehicle)를 양산하고 있으며, 장기적인 측면에서는 연료전지 자동차(FCEV;Fuel Cell Electric Vehicle)를 상용화하는 것에 초점을 맞추고 연구 개발에 주력하고 있다.
하지만 연료전지 자동차의 경우, 가장 핵심 부품이라고 할 수 있는 연료전지 스택(Stack) 자체에 대한 연구 개발이 중심을 이루어 진행되어 온 까닭에 주변장치(BOP;Balance Of Plant)에 대한 연구개발은 상대적으로 미흡한 실정이다. 더욱이, 감성 공학적 측면에서 진동과 소음에 대한 중요도가 점차 높아짐에 따라 연료 전지 자동차의 진동소음(NVH;Noise Vibration Harshness) 성능을 개선하기 위한 연구가 반드시 필요한 실정이다.
연료전지 자동차에 있어서, 연료전지 시스템의 공기 공급계(흡기계)에서 발생하는 진동과 소음이 차량 실내 소음의 주요 원인으로 작용한다. 연료전지가 저출력 스택을 채용한 경우에는 자연 대류에 의한 산소 공급에 의해서 반응이 충분이 일어나지만, 차량의 동력으로 사용할 만큼의 고출력 타입 스택을 채용한 경우에는 고압의 산소 공급을 필요로 한다. 산소의 압력과 습도는 스택의 출력 효율성과 소모 에너지에 직접적으로 연관이 있다. 즉, 높은 압력으로 산소를 가압할수록 뒷 부분에 위치한 가습기 부분에서 소모되는 열에너지를 줄일 수 있으나, 블로워(Blower)의 회전수가 올라가고, 이에 따라 진동과 소음이 크게 발생하여 차량의 진동소음(NVH) 특성은 나빠지게 된다. 실제로, 급가속에 의한 부하가 크게 작용할 때는 효율성 및 출력을 고려하여 약 30,000 rpm 이상의 회전수로 작동하는데, 전술한 바와 같이 진동 및 소음 문제가 커지게 된다.
한편, 블로워의 내부에서 발생하는 소음은 발생 원인에 따라 구조기인 소음과 공기기인 소음으로 분류가 된다. 이러한 소음들이 조합되어 흡기관을 통해 전파되는데 회전수 변화에 따른 소음 특성은 흡입되는 난류의 공기와 블로워의 블레이드 사이에서 상호 작용에 의해 발생하는 광대역 소음과 블레이드의 회전력에 의해 공기와 부딛쳐서 발생하는 소음으로 구성되어 있다.
도 1에는 위와 같이 블로워에서 발생한 공기역학적 소음을 저감하기 위해 채용된 종래 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치를 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 종래의 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치는, 연료전지 스택(2)과 연결되어 공기를 공급하는 흡기관(1)에 홀을 만들고, 여기에 하나의 관을 연결한 공명기 구조, 일명 "사이드 브랜치(Side branch;3)"를 채용하고 있다.
그러나 위와 같은 종래의 소음저감장치는, 흡기관(1)의 형상 변경이 수반되어야 하고 별도의 사이드 브랜치(3)를 추가하여야 하기 때문에, 사이드 브랜치(3)의 설치를 위한 공간 확보가 필요하고, 이에 따라 흡기관(1)의 구조가 복잡해지며, 아울러 상당한 생산비용이 추가되는 문제를 안고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 구조적으로 간단하고 추가적인 장치의 추가 없이도 블로워에서 발생한 흡기관의 공기역학적 소음을 저감할 수 있는 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 흡기관과 연결되는 관 형상의 관부와, 블로워의 입구와 결합하고 상기 관부의 일단에 수직하게 연장되는 판 형상의 판부를 포함하는 플랜지; 및 상기 관부의 일측 외주면으로부터 이격 배치된 원주부와, 상기 관부와 원주부 사이에 형성된 개구를 막아 밀폐된 공명공간을 형성하는 측부를 포함하는 케이스를 구비하되, 상기 케이스에 의해 밀폐된 상기 관부의 부분에는 원주방향으로 다수의 공명홀이 관통되며, 상기 관부의 외주면과 상기 원주부의 내주면 사이의 공명공간에 개재되는 흡음재를 더 구비하는 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치가 제공된다.
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여기서 상기 케이스는 플라스틱 재질로 만들어진 것이 바람직하다.
또한 상기 다수의 공명홀은 원주방향을 따라 등 간격으로 배열된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치에 의하면, 별도의 소음장치를 추가하지 않고도 기존 플랜지의 구조를 간단히 변경함으로써 응용된 헬름홀츠 공명기와 유사한 효과를 가지기 때문에, 흡입되는 난류의 공기와 블로워의 블레이드 사이에서 상호작용에 의해 발생하는 광대역 소음과 블레이드와 부딪혀서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치 채용된 연료전지 시스템의 흡기관을 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 흡 기관의 소음저감장치를 도시한 분해사시도이며, 도 4는 도 2에 나타낸 흡기관의 소음저감장치를 도시한 부분 단면 결합사시도이고, 도 5는 도 2에 나타낸 흡기관의 소음저감장치를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치(100)는, 플랜지(Flange;110) 및 케이스(Case;120)를 구비한다.
상기 플랜지(110)는, 체결부재(30)에 의해 흡기관(10)과 블로워(Blower;20)의 출구를 결합시킨다. 따라서 흡기관(10)의 입구를 통해 유입된 공기는 블로워(20)의 입구로 흐르고, 이렇게 블로워(20)에 유입된 공기는 연료전지 스택(미도시) 쪽으로 강제 송풍된다.
상기 플랜지(110)는, 흡기관(10)과 연결되는 관 형상의 관부(111)와, 블로워(20)의 입구와 결합하고 상기 관부(111)의 일단에 수직하게 연장되는 판 형상의 판부(112)를 포함한다. 이러한 플랜지(110)는 알루미늄(Al) 재질로 만들어질 수 있다. 여기서 상기 흡기관(10)의 출구는 상기 플랜지(110)의 판부(112)를 통해 블로워(20)의 입구에 고정된다.
상기 케이스(120)는 상기 관부(111)의 일측 외주면(111a)으로부터 이격 배치된 원주부(121)와, 상기 관부(111)와 원주부(121) 사이에 형성된 개구를 막는 측부(122)를 포함한다. 여기서, 상기 원주부(121), 측부(122) 및 관부(111)의 외주면에 의해 밀폐된 공명공간(120a)이 형성된다. 그리고 상기 원주부(121)와 측부(122)를 포함하는 케이스(120)는, 제조가 용이하고 비용이 저렴한 플라스틱(Plastic) 재질로 만들어질 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에서, 상기 케이스(120)에 의해 밀폐된 관부(111)의 부분에는 원주방향으로 다수의 공명홀(111b)이 관통되어 있다. 이러한 공명홀(111b)은, 도시된 바와 같이 원주방향을 따라 등 간격으로 배열될 수 있다. 다만, 상기 공명홀(111b)의 크기, 배열방법, 개수 등은 제거하고자 하는 특정 주파수에 대응하여 결정된다. 이에 대해서는 후술하도록 한다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치(100)는, 상기 관부(111)의 외주면(111a)과 상기 원주부(121)의 내주면(121a) 사이의 공명공간(120a)에 개재되는 흡음재(130)를 더 구비할 수 있다. 여기서 흡음재(130)의 크기나 특성도 제거하고자 하는 특정 주파수에 대응하여 결정될 수 있다. 이에 대해서도 후술하도록 한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치의 작용 및 효과를 첨부 도면를 참조하여 설명하도록 한다.
상기 소음저감장치(100)는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz resonator)와 유사한 작용 및 효과를 갖는다. 여기서 헬름홀츠 공명기는 조그만 구멍이나 주둥이를 가진 밀폐된 공간 모양으로 구성된 장치로써 조정실(Control Room)에서 발생되는 매우 특별한 정상파가 가느다란 주둥이를 통해서 그 공명기 안으로 들어오면 그 정상파의 파형(Waveform)에 대한 새로운 역상(Out of Phase)형태의 진동으로 변하여 공명기 밖으로 산출되어 나온다. 따라서 특정한 주파수에 대한 위상변이(Phase Cancellation)가 발생하여 조정실 안에서의 그러한 특정 정상파가 소멸하게 되는 원리이다. 이러한 헬름홀츠 공명기는 특정 공간에서 있어서는 안될 특정한 정상파 를 미리 알고 있다면, 이론적 공식을 통하여 설계가 가능하다. 다만 여기서 헬름홀츠 공명기의 수학적 이론전개, 설계식, 효과 등에 대해서는 공지의 사실이므로 자세한 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공명홀들(111a)은 헬름홀츠 공명기에서 작은 구멍에 상당하며, 공명공간(120a)은 밀폐공간에 상당한다고 볼 수 있다. 여기서 공명공간(120a)에 삽입된 흡음재(120)는 흡음 특성에 의해 소음의 저감효과를 배가시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 소음저감장치(100)는, 종래의 사이드 블랜치(3;도 1 참조)와 비교하면 원심형의 구조를 가지는 소위 "원심형 사이드 블랜치(Circular side branch)"로 볼 수 있다. 여기서 상기 소음저감장치(100)는 기존의 플랜지에 다수의 홀(111a)을 형성하고 케이스(120)를 씌우는 것에 의해, 간편하고 구성을 할 수 있다. 따라서 최근 경량화 추세에도 부합할 수 있으며, 바깥쪽 케이스(120)의 크기를 변경하는 것에 의하여 용이하게 중심 주파수를 변경할 수 있기 때문에 적용성도 우수하다고 볼 수 있다.
또한 상기 소음저감장치(100)는, 소음을 제거하는 것 보다 특정 주파수의 음향 에너지를 다른 주파수로 옮기는 역할을 한다. 이에 따라 유입된 난류의 공기와 블로워의 블레이드 사이에서 상호작용에 의해 발생하는 광대역 소음과 블레이드의 회전마찰에 의하여 발생하는 공기소음을 저감시킬 수 있다. 그리고 외부 케이스(120)의 자유로운 교환을 통해 중심 주파수 변경 및 흡음재 삽입 등이 용이하기 때문에, 기존의 사이드 브랜치(3)에 비해 실제 적용과정에서 많은 장점을 가지고 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치 채용된 연료전지 시스템의 흡기관을 나타낸 사시도,
도 3은 도 2에 나타낸 흡기관의 소음저감장치를 도시한 분해사시도,
도 4는 도 2에 나타낸 흡기관의 소음저감장치를 도시한 부분 단면 결합사시도,
도 5는 도 2에 나타낸 흡기관의 소음저감장치를 도시한 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
10 : 흡기관 20 : 블로워
100 : 소음저감장치 110 : 플랜지
111 : 관부 111b : 공명홀
112 : 판부 120 : 케이스
121 : 원주부 122 : 측부
130 : 흡음재
Claims (4)
- 흡기관(10)과 연결되는 관 형상의 관부(111)와, 블로워(20)의 입구와 결합하고 상기 관부의 일단에 수직하게 연장되는 판 형상의 판부(112)를 포함하는 플랜지(110); 및상기 관부(111)의 일측 외주면(111a)으로부터 이격 배치된 원주부(121)와, 상기 관부(111)와 원주부(121) 사이에 형성된 개구를 막아 밀폐된 공명공간(120a)을 형성하는 측부(122)를 포함하는 케이스(120)를 구비하되,상기 케이스(120)에 의해 밀폐된 상기 관부(111)의 부분에는 원주방향으로 다수의 공명홀(111b)이 관통되며, 상기 관부(111)의 외주면(111a)과 상기 원주부(121)의 내주면(121a) 사이의 공명공간(120a)에 개재되는 흡음재(130)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 케이스(120)는 플라스틱 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 다수의 공명홀(111b)은 원주방향을 따라 등 간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 흡기관의 소음저감장치.
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