KR101218536B1

KR101218536B1 - 축류팬

Info

Publication number: KR101218536B1
Application number: KR1020100000885A
Authority: KR
Inventors: 주원석; 조경석; 권대복
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2013-01-07
Also published as: KR20110080579A

Abstract

본 발명은 축류팬에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 보조 블레이드를 구비함으로써 소비 전력 대비 송풍 효율을 높이고 코어 거리를 증대시키는 축류팬을 제공함에 있다.
본 발명의 축류팬은, 허브(10); 상기 허브(10)의 외주에서 방사상으로 뻗도록 구비되는 다수의 기본 블레이드(21); 상기 허브(10)의 외주에서 방사상으로 뻗도록 구비되되, 상기 기본 블레이드(21)보다 코드(chord) 길이가 일부 축소된 형태로 형성되며, 상기 기본 블레이드(21)와 교번 구비되는 다수의 보조 블레이드(22); 및 원환 형태로 형성되어 상기 기본 블레이드(21) 및 상기 보조 블레이드(22)의 각 끝단을 연결하는 팬 밴드(30); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

축류팬 {Axial Flow Fan}

본 발명은 허브의 외주면에서 방사상으로 뻗은 다수의 블레이드를 회전시켜 공기를 축 방향으로 송풍하는 축류팬에 관한 것이다.

축류팬은, 허브와 그 허브 외주에서 방사방향으로 뻗은 다수의 블레이드로 구성되어, 구동모터 등에 의해 허브와 그 허브에 일체화된 블레이드가 회전하면서 공기를 축 방향으로 송풍하는 송풍기구로서, 자동차에서는 라디에이터나 콘덴서 등과 같은 열교환기의 방열을 촉진하기 위하여 사용된다.

일반적으로, 자동차용 축류팬은 도 1에 도시된 바와 같이, 구동모터의 구동축에 결합되는 허브(1)와 이 허브(1) 둘레에서 방사상으로 뻗은 다수의 블레이드(2)로 이루어진다. 여기에 상기 각 블레이드(2)를 둘러싸면서 그 끝단들을 연결함으로써 방사방향으로 흐르는 공기를 축 방향으로 유도하여 축 방향 송풍 효율을 높이고 아울러 블레이드(2)들이 상호 지지되게 하여 블레이드(2)의 변형을 방지할 수 있는 원형의 팬 밴드(3)가 선택적으로 포함된다. 이와 같은 축류팬(10)의 구성에 있어서, 공기를 축 방향으로 직접적으로 유도하는 블레이드는, 유선형 단면 구조를 가지고 회전에 따른 블레이드 압력면의 압력 상승을 이용하여 축류팬 전방에서부터 공기를 끌어들여 축류팬 후방으로 공기를 밀어내는 역할을 하는 것으로, 축류팬의 송풍효율과 송풍소음에 지대한 영향을 미치는 구성품이다.

특히, 자동차용 축류팬의 블레이드는 다음과 같은 조건들을 갖추어야 한다. 예컨대, 자동차용 축류팬의 블레이드는 그 축류팬이 엔진 냉각을 위해 사용되는 라디에이터와 에어컨의 성능 향상을 위해 사용되는 응축기를 냉각하는데 사용되므로 이 두 열교환기에 걸리는 부하 즉, 정압(正壓) 강하를 극복하면서 냉각에 필요한 충분한 풍량을 생성시킬 수 있어야 한다. 그리고 최근 자동차에는 전자 장비가 많이 장착되어 축전지의 용량이 문제시되고 있으므로 전동 모터의 소비 전력 대비 송풍 효율이 높아야 한다. 더불어 차량에 대한 소음 규제에 따라 보다 송풍 소음이 작아야 하며 고속 회전시 파손의 위험이 없어야 한다.

이상의 제약조건들을 충족할 수 있는 축류팬을 구성하는데 있어서, 축류팬의 블레이드는 송풍 효율 및 소음의 발생량에 가장 큰 영향을 주게 되므로, 축류팬 설계 시 블레이드의 형상과 폭 및 설치각 등은 가장 중요한 설계 인자가 된다. 이에 상기한 바와 같은 조건을 충족할 수 있으면서 축류팬의 성능을 향상할 수 있는 다양한 방안들이 제안되고 있다.

도 1 및 도 2에는 종래의 축류팬의 한 실시예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 허브와 접하는 익근(root of blade) 측에서는 회전 반대 방향으로 기울고, 날개의 선단인 익단(tip of blade) 측에서는 회전 방향으로 기움으로써, 허브 중심으로부터 임의 지점을 지나는 반경선과 그 임의 지점의 접선 사이의 각도로 정의되어 날개의 회전 방향 기울기를 나타내는 휨각(sweep angle, σ_r)이 익근 측에서는 후향(-)이었다가 익단으로 가면서 특정 지점(이하 변곡점, r_I)에서 변곡되어 익단 측에서 전향(+)으로 바뀌는, 즉, 익근 영역(r < r_I)에서는 후향의 휨각(σ_r1 < 0)을 갖고 익단 영역(r > r_I)에서는 전향의 휨각(σ_r2 < 0)을 가진 날개를 구비한 축류팬이 가장 일반화되어 있다. 이와 같은 종래 축류팬들은 휨각이 후향에서 전향으로 바뀌는 각 날개의 변곡점(r_I) 근처에 유동이 집중되는 유동집중부(C)을 가지는 바, 다른 축류팬들에 비해 상대적으로 송풍 소음이 작은 것으로 인정받아 왔다.

도 3 및 도 4는 이보다 좀더 개선된 형태의 축류팬의 실시예이다. 도 3 및 도 4에 도시된 축류팬에서는, 중앙선이 익근에서 익단으로 가면서 익근측의 최대 후향각(-)에서 익단측의 최대 전향각(+)까지 점진적으로 방향이 바뀌는 휨각을 가지되, 중간에 그 휨각이 익근측의 후향으로부터 전향으로 반전된 다음 후향으로 반전되어 익단측의 전향으로 이어지는 적어도 하나의 유동 분산 영역을 가지도록 형성된다. 도 3 및 도 4의 실시예는 도 1 및 도 2의 실시예에 비하여 소음 억제 및 송풍 효율 증대 효과가 보다 높은 것으로 알려져 있다.

한편, 자동차용 축류팬은 상술한 바와 같이 열교환기에 구비되어 열교환기로 송풍을 수행하는 역할을 한다. 이 때, 열교환기로 송풍되는 공기의 흐름은 동작 특성을 예상하고 제어하기에 용이하도록 층류를 이루는 것이 바람직하다. 그러나 대부분의 경우 열교환기 및 축류팬이 구비되는 엔진룸의 공간은 한정되어 있기 때문에 열교환기와 축류팬 간의 거리(여기에서, 열교환기에서 실질적인 열교환이 일어나는 부분, 즉 열교환기의 핀 및 튜브로 이루어지는 부분은 일반적으로 열교환기 코어라고 통칭되며, '열교환기 코어와 축류팬 간의 거리'라는 의미로서, 이하에서는 이를 '코어 거리'라고 칭한다)는 공기 흐름이 층류를 이룰 만큼 충분히 길게 설계되기 어렵다. 이와 같이 코어 거리가 짧아지게 되면 공기 흐름이 난류를 이루게 되고, 따라서 동작 특성을 예상하기에 어려움이 따르게 되는 등의 문제가 있다. 특히 도 3에 도시된 바와 같이 블레이드의 형상이 복잡해지면 복잡해질수록 이러한 문제는 더욱 심화된다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 보조 블레이드를 구비함으로써 소비 전력 대비 송풍 효율을 높이고 코어 거리를 증대시키는 축류팬을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 축류팬은, 허브(10); 상기 허브(10)의 외주에서 방사상으로 뻗도록 구비되는 다수의 기본 블레이드(21); 상기 허브(10)의 외주에서 방사상으로 뻗도록 구비되되, 상기 기본 블레이드(21)보다 코드(chord) 길이가 일부 축소된 형태로 형성되며, 상기 기본 블레이드(21)와 교번 구비되는 다수의 보조 블레이드(22); 및 원환 형태로 형성되어 상기 기본 블레이드(21) 및 상기 보조 블레이드(22)의 각 끝단을 연결하는 팬 밴드(30); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 보조 블레이드(22)는 상기 축류팬의 바닥면으로부터의 상기 기본 블레이드(21)의 높이 대비 5% 내지 40% 범위 내의 높이에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보조 블레이드(22)는 익근 측에서 상기 기본 블레이드(21)의 코드 길이(Chord Length, CL) 대비 35% 내지 50%의 코드 길이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 보조 블레이드(22)는 익단 측에서 상기 기본 블레이드(21)의 코드 길이와 동일한 코드 길이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한 이 때, 상기 보조 블레이드(22)는 익단에서 익근 쪽으로 50% 내지 70% 지점에서부터 코드 길이가 연속적으로 증대되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 축류팬은 (상기 기본 블레이드(21) 및 상기 보조 블레이드(22)의 유효 면적 / 상기 축류팬의 전체 면적)으로 정의되는 솔리디티(solidity) 값이 0.5 내지 0.7 범위 내의 값을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기본 블레이드(21) 및 상기 보조 블레이드(22)는 그 중앙선이 익근에서 익단으로 가면서 익근 측의 최대 후향각(-)에서 익단 측의 최대 전향각(+)까지 점진적으로 방향이 바뀌는 휨각을 가지되, 중간에 그 휨각이 익근 측의 후향으로부터 전향으로 반전된 다음 후향으로 반전되어 익단 측의 전향으로 이어지는 적어도 하나의 유동 분산 영역을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 축류팬에 있어서, 기본 블레이드 사이에 기본 블레이드보다 높이 및 폭이 축소된 보조 블레이드를 구비함으로써 부분적으로 코어 거리를 증대시켜 축류팬의 송풍 효율을 보다 증대시키는 큰 효과가 있다. 또한, 이와 같이 소비 전력 대비 송풍 효율이 증대됨에 따라 종래의 축류팬과 비교하여 적은 회전수로도 종래와 동일한 성능을 얻을 수 있어, 실질적으로 종래에 비해 에너지를 크게 절약할 수 있게 되는 효과가 있다. 또한, 이와 같이 축류팬의 회전수를 종래에 비해 줄일 수 있게 됨으로써 소음 또한 훨씬 저감할 수 있게 되는 큰 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 축류팬의 한 실시예.
도 3 및 도 4는 종래의 축류팬의 다른 실시예.
도 5 및 도 6은 본 발명의 축류팬의 실시예.
도 7은 본 발명의 블레이드 높이.
도 8은 본 발명에 의한 코어 거리 증가 예시.
도 9는 코드 길이 축소비에 대한 RPM 및 소음 간의 관계 그래프.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 축류팬을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 축류팬을 도시한 것이다. 본 발명의 축류팬은 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 축류팬과 유사하게 허브(10), 기본 블레이드(base blade, 21) 및 팬 밴드(30)를 포함하여 이루어지는데, 여기에 본 발명의 축류팬은 보조 블레이드(22)가 포함되어 이루어지게 된다.

상기 기본 블레이드(21)는, 다수 개가 상기 허브(10)의 외주에서 방사상으로 뻗도록 구비되며, 종래의 축류팬에서의 블레이드와 동일하다. 이 때, 종래의 축류팬과는 달리 본 발명의 축류팬은, 상기 허브(10)의 외주에서 방사상으로 뻗도록 구비되되, 상기 기본 블레이드(21)보다 코드(chord) 길이가 일부 축소된 형태로 형성되며, 상기 기본 블레이드(21)와 교번 구비되는 다수의 보조 블레이드(22)를 구비하게 된다. 물론 이에 따라 원환 형태로 형성되는 상기 팬 밴드(30)는 상기 기본 블레이드(21)와 더불어 상기 보조 블레이드(22)의 각 끝단까지 모두 연결하도록 구비된다.

상기 보조 블레이드(22)에 대하여 보다 상세히 설명한다. 상술한 바와 같이 상기 보조 블레이드(22)는 상기 기본 블레이드(21)보다 일부 축소된 형태로 되어 상기 기본 블레이드(21)의 사이사이에 구비된다.

일반적으로 축류팬에서 송풍 효율을 높이기 위해서는 블레이드 개수를 늘리게 되는데, 블레이드 개수가 너무 많아지게 되어 솔리디티(solidity, (블레이드들의 유효 면적 / 축류팬의 전체 면적)으로 정의됨) 값이 적절하지 못하게 되며, 이에 따라 오히려 송풍 효율이 떨어지게 될 수도 있다. 즉, 블레이드는 일측의 공기를 끌어와서 타측으로 불어내도록 하는 역할을 하는데, 블레이드 개수가 많아지면 물론 끌어와서 불어내지는 공기의 양이 많아지기 때문에 송풍 효율이 높아지나, 블레이드 개수가 너무 많아지면 블레이드의 존재에 의하여 공기가 흘러가는 유동 공간의 면적이 지나치게 좁아지게 되어 오히려 공기 유동에 저항이 발생하게 되어 송풍 효율이 낮아지게 될 수 있다. 따라서 적절한 솔리디티를 유지하는 것은 중요하며, 즉 기본 블레이드(21)의 개수를 늘리는 것만으로는 송풍 효율을 향상시키는데 한계가 있었다.

그러나 본 발명에서와 같이 상기 보조 블레이드(22)를 도입할 경우, 솔리디티가 늘어나는 경향을 줄임과 동시에 블레이드의 개수를 늘릴 수 있게 되는 효과가 있어, 송풍 효율을 더욱 극대화할 수 있게 된다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 축류팬은, (상기 기본 블레이드(21) 및 상기 보조 블레이드(22)의 유효 면적 / 상기 축류팬의 전체 면적)으로 정의되는 솔리디티(solidity) 값이 0.5 내지 0.7 범위 내의 값을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 보조 블레이드(22)는 상술한 바와 같이 상기 기본 블레이드(21)보다 코드 길이(Chord Length, CL)가 일부 축소되게(즉 폭이 좁게) 형성됨과 더불어, 상기 기본 블레이드(21)보다 높이가 낮게 형성되는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 상기 축류팬은 궁극적으로 열교환기에 구비되어 열교환기로 공기를 송풍하는데, 이 때 공기의 흐름이 층류를 형성하는 것이 동작 해석 및 제어에 유리하다는 점은 잘 알려져 있다. 그러나 엔진 룸이 협소하여 공간적 제약이 있기 때문에 축류팬과 열교환기 사이의 거리, 즉 코어 거리는 일정 수준 이상으로 늘릴 수 없다는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에서, 상기 보조 블레이드(22)의 높이를 상기 기본 블레이드(21)의 높이보다 낮게 형성되도록 함으로써, 궁극적으로는 실제 축류팬이 구비되는 위치는 동일하다 하더라도 상기 기본 블레이드(21) 및 상기 보조 블레이드(22)를 모두 고려한 환산 코어 거리가 종래에 비해 증대된다. 이에 따라 열교환기로 송풍되는 공기의 흐름이 보다 안정적인 층류 성향을 강하게 띠게 되는 바, 동작 해석 및 제어에 유리해질 뿐만 아니라 결과적으로는 전체적인 시스템 성능까지도 향상시킬 수 있게 된다.

도 8은 본 발명에 의하여 코어 거리가 증가하는 한 예시를 도시하고 있다. 도 8(A)는 모든 블레이드의 높이가 동일한 종래의 축류팬의 경우를 도시한 것이며, 도 8(B)는 본 발명과 같이 기본 블레이드 및 보조 블레이드가 각각 제1코어 거리와 제2코어 거리를 가지도록 형성되는 경우를 도시한 것이다. 이 때, 도 8(A)에서의 코어 거리, 즉 블레이드와 열교환기 간의 거리는 도 8(B)에서의 제1코어 거리, 즉 기본 블레이드와 열교환기 간의 거리와 동일하다. 도 8(B)에 도시된 본 발명의 축류팬에서는 보조 블레이드가 기본 블레이드보다 높이가 낮게 형성되어 있기 때문에, 제2코어 거리, 즉 보조 블레이드와 열교환기 간의 거리는 제1코어 거리에 비해 보다 길게 형성됨은 당연하다. 이 제1코어 거리와 제2코어 거리를 평균적으로 환산하게 되면, 환산된 코어 거리는 당연히 도 8(A)의 코어 거리에 비해 길어지게 된다. 이와 같이 본 발명에 의하면 동일한 규격의 축류팬 및 열교환기를 사용한다 하여도 보조 블레이드의 존재에 의하여 코어 거리를 늘릴 수 있게 되는 것이다.

보다 구체적으로는, 상기 보조 블레이드(22)는 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 축류팬의 바닥면으로부터의 상기 기본 블레이드(21)의 높이 대비 5% 내지 40% 범위 내의 높이에 걸쳐 형성되는 것이 바람직하다. 실험적으로 상기 보조 블레이드(22)의 높이가 상기 기본 블레이드(21)의 높이의 40% 이상이 될 경우 성능이 감소되는 경향이 있다. 이에 따라, 상기 보조 블레이드(22)의 높이는 상기 기본 블레이드(21)의 높이의 40% 이하가 되도록 한다.

또한, 상기 보조 블레이드(22)는 익근 측에서 상기 기본 블레이드(21)의 코드 길이 대비 35% 내지 50%의 코드 길이를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 도 9는 코드 길이 축소비에 대한 RPM 및 소음 간의 관계 그래프를 도시하고 있다. 상술한 바와 같이, 코어 거리, 즉 블레이드와 열교환기 간의 거리가 클수록 축류팬의 풍량이 증가하는 바, 본 발명의 축류팬, 즉 기본 블레이드 및 이보다 코드 길이가 짧고 높이가 낮은 보조 블레이드를 구비하는 축류팬의 경우에는 당연히 성능이 증대된다. 이 때, 보조 블레이드의 코드 길이를 줄일수록, 즉 높이를 낮출수록 코어 거리가 증대된다는 것은 자명하다. 이 때, 도 9의 그래프에 나타난 실험 결과로 볼 때, 보조 블레이드의 코드 길이가 약 40% 정도가 되었을 때 소음 발생량이 최소가 되며, 35% 이하 또는 50% 이상이 되면 소음이 오히려 많이 증가하는 경향이 있음을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 상기 보조 블레이드(22)의 코드 길이는 상기 기본 블레이드(21)의 코드 길이 대비 35% 내지 50%의 코드 길이를 가지도록 하는 것이 바람직한 것이다.

이 때, 상기 보조 블레이드(22)의 코드 길이가 상기 기본 블레이드(21)의 코드 길이보다 전체적으로 작게 형성되도록 할 수도 있으나, 익근(root of blade) 측에서는 상기 보조 블레이드(22)의 코드 길이가 상기 기본 블레이드(21)의 코드 길이보다 작도록 하되, 익단 측으로 가면서 코드 길이가 증대되게 하는 것이 송풍 효율을 높이는 데 보다 효과적이다.

보다 구체적으로는, 상기 보조 블레이드(22)는 익단 측에서 상기 기본 블레이드(21)의 코드 길이와 동일한 코드 길이를 가지도록 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 즉 익근에서는 상기 보조 블레이드(22)가 상기 기본 블레이드(21)보다 훨씬 좁은 폭을 가지되, 익단(tip of blade) 쪽으로 갈수록 폭이 점점 넓어져서 익단 위치에서는 상기 보조 블레이드(22)와 상기 기본 블레이드(21)의 폭이 동일하거나 비슷하게 형성되도록 하는 것이다.

이 때, 상기 보조 블레이드(22)는 익단에서 익근 쪽으로 50% 내지 70% 지점에서부터 코드 길이가 연속적으로 증대되도록 하는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4에 도시되어 있는, 다수 개의 유동 분산 영역을 가지는 블레이드를 구비하는 종래의 축류팬과 대비하여, 이와 유사한 형상의 기본 블레이드 및 상술한 바와 같은 특성을 가지는 보조 블레이드를 가지는 본 발명의 축류팬의 작동 결과가 하기의 표에 기재되어 있다. 하기의 표에 기재되어 있는 실험 결과와 같이, 본 발명의 축류팬은 보조 블레이드를 도입함으로써, 동일한 회전 속도에 대해 종래의 축류팬에 비해 정압, 풍량, 토크 모든 면에 있어서 모두 개선된 특성을 보이며, 결과적으로 송풍 효율을 훨씬 증대시킴을 확인할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10: 허브
21: 기본 블레이드
22: 보조 블레이드
30: 팬 밴드

Claims

허브(10);
상기 허브(10)의 외주에서 방사상으로 뻗도록 구비되는 다수의 기본 블레이드(21);
상기 허브(10)의 외주에서 방사상으로 뻗도록 구비되되, 익근 측에서 상기 기본 블레이드(21)의 코드 길이(Chord Length, CL) 대비 35% 내지 50%의 코드 길이를 가지도록 형성되며, 상기 기본 블레이드(21)와 교번 구비되는 다수의 보조 블레이드(22); 및
원환 형태로 형성되어 상기 기본 블레이드(21) 및 상기 보조 블레이드(22)의 각 끝단을 연결하는 팬 밴드(30);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축류팬.
제 1항에 있어서, 상기 보조 블레이드(22)는
상기 축류팬의 바닥면으로부터의 상기 기본 블레이드(21)의 높이 대비 5% 내지 40% 범위 내의 높이에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 축류팬.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 보조 블레이드(22)는
익단 측에서 상기 기본 블레이드(21)의 코드 길이와 동일한 코드 길이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 축류팬.
제 4항에 있어서, 상기 보조 블레이드(22)는
익단에서 익근 쪽으로 50% 내지 70% 지점에서부터 코드 길이가 연속적으로 증대되는 것을 특징으로 하는 축류팬.
제 1항에 있어서, 상기 축류팬은
상기 기본 블레이드(21) 및 상기 보조 블레이드(22)의 유효 면적을 상기 축류팬의 전체 면적으로 나눈 값으로 정의되는 솔리디티(solidity) 값이 0.5 내지 0.7 범위 내의 값을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 축류팬.
제 1항에 있어서, 상기 기본 블레이드(21) 및 상기 보조 블레이드(22)는
그 중앙선이 익근에서 익단으로 가면서 익근 측의 최대 후향각(-)에서 익단 측의 최대 전향각(+)까지 점진적으로 방향이 바뀌는 휨각을 가지되, 중간에 그 휨각이 익근 측의 후향으로부터 전향으로 반전된 다음 후향으로 반전되어 익단 측의 전향으로 이어지는 적어도 하나의 유동 분산 영역을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 축류팬.