KR101218690B1

KR101218690B1 - 스크롤 케이스용 벨마우스

Info

Publication number: KR101218690B1
Application number: KR1020100066098A
Authority: KR
Inventors: 김재원
Original assignee: 선문대학교 산학협력단
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2013-01-04
Also published as: KR20120005598A; US8579586B2; US20120009057A1

Abstract

본 발명에 의한 스크롤 케이스용 벨마우스는, 스크롤 케이스 내부에 설치된 원심 블로어에 의해 공기를 상기 스크롤 케이스 내부로 유입할 수 있도록 상기 스크롤 케이스 상벽에 관설되어 공기 유입구를 형성하는 벨마우스이고, 상기 벨마우스의 체적은 상기 원심 블로어의 회전축을 기준으로 비대칭이다.
이에 따르면, 본 발명은 원심 블로어의 회전축을 기준으로 대칭인 형상의 벨마우스를 비대칭 형상으로 구성함으로써, 유량 압력의 상승에 따라 벨마우스의 체적의 변화를 가감하여 유입공기의 역류의 발생을 현저히 막을 수 있는 효과가 있다.

Description

스크롤 케이스용 벨마우스{Bell mouth for scroll case}

본 발명은 스크롤 케이스용 벨마우스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스크롤 케이스의 설부 근방에서 체적이 부분적으로 확대되어 비대칭 형상을 갖는 스크롤 케이스용 벨마우스에 관한 것이다.

스크롤 케이스를 포함하여 공기 이송 장치로 널리 활용되는 원심 블로어는 스크롤 케이스의 유로 구조의 점진적 확장에 의해 압력에너지와 운동에너지 사이의 에너지 변환이 이루어진다.

유동의 유입이 원심 블로어의 회전에 의한 저압 생성에 의해 이루어지지만, 일부 유동장의 경우 저압부의 압력 불균일로 인해, 원심 블로어의 회전축 방향 유동의 역 토출이 발생하며 이와 같은 역류를 억제하기 위해 벨마우스(bell mouth)에 의해 회전축 방향 여유 공간이 마련되고 있다.

한편, 스크롤 케이스의 유로를 따라 유로 단면적이 극도로 작은 영역에서는 유속의 증가에 따른 운동에너지의 증가 발휘되어 정압 상승이 저하되어 당초 의도대로 유동의 유입이 원활이 이루어진다.

그러나 유량의 증가가 일정 한계를 넘어서면 스크롤 케이스의 단면에서의 유량 감당이 과잉되어 역류 현상이 관측되는 것이 주지의 사실이다.

이 경우, 상기 벨마우스에 의한 인위적 저압 부위의 생성으로 유량의 손실을 방지하지만, 통상의 벨마우스는 원주를 따라 동일 단면 형상과 동일 체적으로 유지함으로서 그 고유의 목적을 전체영역에 걸쳐서 달성하지 못하고, 역류의 발생을 방지할 수 없게 되는 문제가 있다.

이와 같이, 스크롤 케이스 또는 벨마우스의 설계에 따라 원심 블로어에서 발생되는 소음과 풍량이 매우 민감하게 변하게 되기 때문에 소음이 저감되고 풍량은 증대되는 고효율 스크롤 케이스 또는 벨마우스의 설계에 관한 연구가 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스크롤 케이스의 설부 근방에서 체적이 부분적으로 확대되어 비대칭 형상을 갖는 스크롤 케이스용 벨마우스를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 스크롤 케이스용 벨마우스는, 스크롤 케이스 내부에 설치된 원심 블로어에 의해 공기를 상기 스크롤 케이스 내부로 유입할 수 있도록 상기 스크롤 케이스 상벽에 관설되어 공기 유입구를 형성하는 벨마우스이고, 상기 벨마우스의 체적은 상기 원심 블로어의 회전축을 기준으로 비대칭이다.

또한, 상기 스크롤 케이스는, 상기 원심 블로어 외측에 공기 유로를 갖는 스크롤부, 상기 스크롤부와 연통하면서 상기 스크롤부의 출구방향으로 연장 형성된 유출부 및 상기 스크롤부가 시작되는 부분인 설부로 이루어지고, 상기 원심 블로어의 중심으로부터 상기 스크롤 케이스의 외곽으로 연장되는 선들 중, 상기 유출부가 연장되는 방향과 같은 방향인 선이 상기 스크롤 케이스의 외곽을 이루는 곡면과 만나는 지점의 각을 기준각으로 할 때, 상기 벨마우스의 반경은 상기 기준각으로부터 상기 설부까지 자오평면(azimuthal plane)의 위치 결정각이 증가함에 따라 가변한다.

또한, 상기 기준각으로부터 상기 설부까지 위치 결정각이 증가함에 따라 일정 영역까지는 상기 벨마우스의 반경이 감소하고, 상기 일정영역 이후부터는 상기 벨마우스의 반경이 증가할 수 있다.

또한, 상기 기준각으로부터 자오평면의 위치 결정각을 Ψ, 상기 설부의 위치를 Ψ_c라고 할 때, 상기 Ψ에 관한 상기 벨마우스의 반경 R(Ψ)은 하기 수학식을 만족할 수 있다.

<수학식>

여기서, R₀는 상기 원심 블로어의 중심으로부터 상기 벨마우스까지의 기초 반경, A_r은 상기 유출부에서의 스크롤 케이스의 유로 단면적(A_e)을 상기 설부에서의 스크롤 케이스의 유로 단면적(A_c)으로 나눈 비이다. 여기서, 상기 A_r은 1.6 이상 1.8 이하일 수 있다.

본 발명에 의한 스크롤 케이스용 벨마우스에 의하면, 원심 블로어의 회전축을 기준으로 대칭인 형상의 벨마우스를 비대칭 형상으로 구성함으로써, 유량 압력의 상승에 따라 벨마우스의 체적의 변화를 가감하여 유입공기의 역류의 발생을 현저히 막을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 비교예에 따른 스크롤 케이스를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤 케이스를 개락도.
도 3은 도 2에 도시된 A 영역의 벨마우스의 확대단면도.
도 4는 도 3에 도시된 B 영역의 벨마우스 반경을 설명하기 위한 그래프.
도 5는 도 4에 도시된 A_r (A_e/A_c)을 설명하기 위한 설명도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 벨마우스의 A_r의 범위에 대한 유량 효율을 나타내는 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 비교예에 따른 스크롤 케이스를 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스크롤 케이스를 개락도, 도 3은 도 2에 도시된 A 영역의 벨마우스의 확대단면도, 도 4는 도 3에 도시된 B 영역의 벨마우스 반경을 설명하기 위한 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 스크롤 케이스(100)는, 원심 블로어(41) 외측에 공기 유로를 갖는 스크롤부(10), 스크롤부(10)와 연통하면서 스크롤부(10)의 출구방향으로 연장 형성된 유출부(20) 및 스크롤부(10)가 시작되는 부분인 설부(30)로 이루어진다.

여기서, 스크롤부(10)는 벨마우스(50)의 안내에 따라 유입된 공기가 설부(30)로부터 점차 확대되는 유로부분을 의미하며, 유출부(20)는 스크롤부(10)와 연통하면서 스크롤부(10)의 출구방향으로 연장 형성되도록 설계된다.

상기와 같이 스크롤부(10)의 구조를 설부(30)로부터 점차 확대되는 유로로 구성함으로써 압력 변환을 이루어내고, 그로부터 일정 압력을 가진 유량을 유출부(20)를 통해 배출할 수 있게 된다.

소위 컷 오프(cut off) 영역이라 불리는 설부(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 스크롤부(10)가 시작되는 부분으로, 스크롤부(10)의 내주면과 원심 블로어(41)의 외주면과의 클리어런스가 최소가 되는 부분을 의미하며, 주 유동의 팽창이 시작되는 위치이다.

스크롤 케이스(100)는 내부에 설치된 원심 블로어(41)에 의해 공기를 내부로 유입할 수 있도록 스크롤 케이스(100)의 상벽에는 공기 유입구(101)를 형성하는 벨마우스(50)가 관설된다.

벨마우스(50)는 스크롤 케이스(100) 상벽의 상측방향으로 돌출되게 라운드되어 형성되며, 도 2에서 도면번호 51로 표시된 부분은 벨마우스(50)의 베이스 플레이트를 의미한다.

스크롤 케이스(100) 내부로 유입되는 공기의 회전축(42) 방향 역류를 방지하기 위해, 상기 벨마우스(50)에 의해 인위적인 저압 부위를 생성하게 된다.

한편, 원심 블로어(41)에 의해 스크롤 케이스(100) 내부로 공기를 강제 흡입하도록, 원심 블로어(41)의 회전축(42)은 구동부인 모터(M)에 연결되고 스크롤부(10) 내부에 구비된다.

원심 블로어(41)의 회전에 의해 원심 블로어(41)의 내부에는 저압이 형성되고, 그에 따라 도 2의 도면번호 "f"로 도시된 바와 같이, 원심 블로어(41)의 회전축(42) 방향으로 공기가 흡입되어 원심 블로어(41)의 반경방향으로 송풍되며, 송풍된 공기는 스크롤부(10)의 내벽면을 따라 흘러 유출부(20)를 통해 스크롤 케이스(100)의 외부로 유출된다.

즉, 원심 블로어(41)가 회전하게 되면, 원심 블로어(41)의 반경방향으로 송풍되는 공기는 스크롤부(10)가 시작되는 부분으로부터 스크롤부(10)의 내벽면을 따라 원심 블로어(41)의 회전방향으로 회전하면서 유출부(20) 쪽으로 유동하게 된다.

본 발명에 따른 스크롤 케이스용 벨마우스(50)의 체적은, 원심 블로어(41)의 회전축(42)을 기준으로 비대칭인 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 도 2를 참조하여 설명하면, 원심 블로어(41)의 중심(o)으로부터 스크롤 케이스(100)의 외곽으로 연장되는 선들 중, 유출부(20)가 연장되는 방향과 평행인 선은 2개(L₁, L₂)가 존재하고, 이 선들(L₁, L₂) 중 유출부(20)가 연장되는 방향과 같은 방향인 선(L₁)이 스크롤 케이스(100)의 외곽을 이루는 곡면과 만나는 지점(도 3에 도시된 점 P)의 각을 기준각 즉, 0ㅀ로 설정한다.

본 발명의 스크롤 케이스(100)에 구비되는 벨마우스(50)의 체적을 결정하는 반경(R)은 도 3에 도시된 바와 같이, 원심 블로어(41)의 중심(o)으로부터 벨마우스(50)까지의 거리로 정의할 수 있다.

본 발명의 벨마우스(50)의 반경의 기술적 특징을 살펴보면, 상기 기준각으로부터 설부(30)까지의 영역(도 2에 도시된 A 영역)에 배치된 벨마우스(50)의 반경(R)은 상기 기준각으로부터 설부(30)까지 자오평면(azimuthal plane)의 위치 결정각(Ψ)이 증가함에 따라 가변하게 된다.

도 3을 참조하면, 상기 기준각으로부터 자오평면의 위치 결정각을 Ψ, 상기 설부의 위치를 Ψ_c라고 할 때, A 영역의 벨마우스(50)의 반경(R)은 기준각으로부터 설부(30)까지 증가하는 위치 결정각(Ψ)에 관한 함수로 표현될 수 있고, 상기 위치 결정각(Ψ)이 증가함에 따라 벨마우스(50)의 반경(R)이 가변되면 벨마우스(50)의 형상 및 체적이 변화하게 되므로, 상기 벨마우스(50)의 반경(R)은 벨마우스(50)의 형상과 체적을 결정하는 기하학적 변수라고 할 수 있다.

이와 같이, A 영역에서의 벨마우스(50)의 반경(R)이 기준각으로부터 설부(30)까지 위치 결정각(Ψ)이 증가함에 따라 가변됨으로써, 벨마우스(50)의 체적은 원심 블로어(41)의 회전축(42)을 기준으로 비대칭이 되게 된다.

따라서, A 영역에서의 벨마우스(50)의 형상은, A 영역 이외의 벨마우스 부분의 형상과 비교할 때 체적이 비대칭으로 형성되고, 상기 구성으로 인해 유량의 압력 상승을 수용할 여유 공간이 벨마우스(50)에 확보됨으로써 역류의 발생을 현저히 방지할 수 있는 이점이 있다.

이에 비해 도 1에 도시된 비교예의 경우, 스크롤 케이스(100)의 유로를 따라 유로 단면적이 극도로 작은 영역에서는 유속의 증가에 따라 운동에너지가 증가되어 정압 상승이 저하되고, 그에 따라 유동의 유입이 원활이 이루어지지만, 유량의 증가가 소정의 한계를 넘어서면 스크롤 케이스(100)의 단면 유로에서의 유량 감당이 과잉이 되는 문제가 발생한다.

즉, 비교예에 의한 벨마우스(50)는 원주를 따라 동일 단면 형상과 동일 체적으로 유지되기 때문에, 스크롤 케이스(100)의 단면 유로에서의 유량을 감당할 수 없게 되어, 상기와 같은 역류의 발생을 방지할 수 없게 된다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 벨마우스(50)의 반경(R)의 변화를 구체적으로 설명하면, 상기 기준각으로부터 설부(30)까지 위치 결정각(Ψ)이 증가함에 따라 일정 영역까지는 벨마우스(50)의 반경(R)이 감소하고, 상기 일정영역 이후부터는 벨마우스(50)의 반경(R)이 증가하게 된다.

도 3에 도시된 B 영역을 참조하면, 원심 블로어(41)의 중심(o)으로부터 벨마우스(50)까지의 거리 즉, 벨마우스(50)의 반경(R)은 위치 결정각(Ψ)이 증가함에 따라 감소하는 경향을 갖는다. 그에 따라, 벨마우스(50)의 체적은 일시적으로 증가하는 경향을 갖게 된다.

일정 영역까지는 벨마우스(50)의 반경(R)이 감소하다가, 상기 일정영역 이후부터는 벨마우스(50)의 반경(R)이 증가하게 된다. 여기서, 상기 일정 영역은 상기 기준각으로부터 설부(30)의 위치 Ψ_c의 중간 각(Ψ_c/2)까지의 영역을 의미한다.

구체적으로, 기준각으로부터 설부(30)까지 증가하는 위치 결정각(Ψ)과 벨마우스(50)의 반경(R)의 함수관계는 아래 수학식1로 나타낼 수 있다.

<수학식 1>

여기서, 도 3을 참조하면, R₀는 원심 블로어(41)의 중심(o)으로부터 벨마우스(50)까지의 기초 반경을 의미하는 고정값이고, ΔR(Ψ)는 기초 반경(R₀)을 기준으로 증감되는 값을 의미하는 변수이다.

여기서, 상기 ΔR(Ψ)는 아래 수학식 2로 나타낼 수 있으며, 이는 도 4에 도시되어 있다.

<수학식 2>

여기서, Ψ_c는 설부(30)의 위치, 즉 설부(30)에서의 위치 결정각, A_r은 유출부(20)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적(A_e)을 설부(30)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적(A_c)으로 나눈 비를 의미하는 계수이며, 이에 대한 자세한 기재는 후술하기로 한다.

따라서, 상기 수학식 1 및 수학식 2를 종합하면, 기준각으로부터 설부(30)까지 증가하는 위치 결정각(Ψ)과 벨마우스(50)의 반경(R)의 함수관계는 하기 수학식 3으로 정리될 수 있다.

<수학식 3>

상기 수학식 3에 의하면, 일정영역까지 즉, 설부(30)의 위치 Ψ_c의 중간 각(Ψ_c/2)까지의 영역까지는 벨마우스(50)의 반경(R)이 감소하면서 벨마우스(50)의 체적이 증가하다가, 상기 일정영역 이후부터는 벨마우스(50)의 반경(R)이 증가하면서 벨마우스(50)의 체적이 감소하게 되는 것이다. 이와 같이 벨마우스(50)의 반경(R)의 곡선이 정현파 곡선을 그리면서 벨마우스(50)의 체적 및 형상이 가변된다.

이와 같은 정현파 곡선의 특성상, 초기 유로 단면적이 완만하게 증가하게 되므로, 유로 단면적의 급격한 변화로 인한 유동 에너지의 손실을 방지할 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 A_r (A_e/A_c)을 설명하기 위한 설명도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 벨마우스의 A_r의 범위에 대한 유량 효율을 나타내는 그래프이다.

상기 수학식 3에 나타난 A_r은 유출부(20)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적(A_e)을 설부(30)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적(A_c)으로 나눈 비를 의미하는 계수로, 상기 수학식 3에서의 정현파 곡선의 진폭을 결정하는 값이다.

스크롤 케이스(100)의 유동 단면적은 연속 함수의 곡선 형태로 증가하는 데, 이 경우 증가되는 면적의 비를 이용하여 벨마우스(50)의 최대 체적 증대량을 결정할 수 있다. 이에 대한 이론식은 하기의 수학식 4와 같다.

<수학식 4>

상기 수학식 4에서, 위치 결정각(Ψ)이 -3π/2 인 지점의 유출부(20)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적을 A_e로 정의하고, 위치 결정각이 Ψ_c인 설부(30)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적을 A_c로 정의하면, A_r은 상기 A_e를 A_c로 나눈 비를 의미한다.

도 5를 참조하면, 유출부(20)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적(A_e)와, 설부(30)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적(A_c)이 도시되어 있다.

스크롤 케이스(100)의 높이(h)가 일정하고, 설부(30)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적(A_c)이 가변되어 A_r을 설정할 수 있으며, A_r을 1.7로 설정한다는 것은, 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적(A_e)가 설부(30)에서의 스크롤 케이스(100)의 유로 단면적(A_c)보다 1.7배 크다는 것을 의미한다.

도 6을 참조하여 벨마우스(50)의 A_r의 범위에 대한 유량 효율을 살펴보면, A_r 값이 1.6에서 1.8일 때 유입되는 공기와 유출되는 공기의 비를 나타내는 유량 효율 값이 0.8 이상의 값을 가짐을 알 수 있으며, 특히 A_r 값이 1.7 일 때 유량 효율 값이 최대값인 0.83을 갖는 것을 확인할 수 있다.

유량 효율이 최대가 되는 A_r 값인 1.7을 상기 수학식 3의 진폭으로 설정한 벨마우스의 형상은, 도 3의 B 영역에 도시된 바와 같이, 설부(30) 근방에서 체적이 확대된 형상으로 나타나게 된다.

도 1에 도시된 비교예에 의한 벨마우스(50) 구조를 채용한 경우에는, 그 유량이 23.5 m³/min.이었고, 날개 통과 주파수(BPF: Blade Passing Frequency) 소음은 56.8 dB으로 평가되었다.

하지만, 본 발명의 실시예에 의한 벨마우스(50) 구조를 채용한 경우에는, 정압 상승이 과다한 부위를 제거하여 유동의 역류를 방지할 수 있으며 그 결과는 유량의 경우 2.5 m³/min.이 향상되어 26 m³/min.을 달성하였고, 날개 통과 주파수 소음의 경우에는 와류로 인한 광대역 소음이 제거되어 51.0 dB 값을 얻게 됨으로써 소음 감소의 효과를 확인할 수 있었다.

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.

10: 스크롤부 20: 유출부
30: 설부 41: 블로어
42: 회전축 50: 벨마우스
100: 스크롤 케이스

Claims

스크롤 케이스 내부에 설치된 원심 블로어에 의해 공기를 상기 스크롤 케이스 내부로 유입할 수 있도록 상기 스크롤 케이스 상벽에 관설되어 공기 유입구를 형성하는 스크롤 케이스용 벨마우스에 있어서,
상기 벨마우스의 체적은 상기 원심 블로어의 회전축을 기준으로 비대칭이며,
상기 스크롤 케이스는, 상기 원심 블로어 외측에 공기 유로를 갖는 스크롤부, 상기 스크롤부와 연통하면서 상기 스크롤부의 출구방향으로 연장 형성된 유출부 및 상기 스크롤부가 시작되는 부분인 설부로 이루어지고,
상기 원심 블로어의 중심으로부터 상기 스크롤 케이스의 외곽으로 연장되는 선들 중, 상기 유출부가 연장되는 방향과 같은 방향인 선이 상기 스크롤 케이스의 외곽을 이루는 곡면과 만나는 지점의 각을 기준각으로 할 때,
상기 벨마우스의 반경은 상기 기준각으로부터 상기 설부까지 자오평면(azimuthal plane)의 위치 결정각이 증가함에 따라 가변하는 것을 특징으로 하는 스크롤 케이스용 벨마우스.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 기준각으로부터 상기 설부까지 위치 결정각이 증가함에 따라 일정 영역까지는 상기 벨마우스의 반경이 감소하고, 상기 일정영역 이후부터는 상기 벨마우스의 반경이 증가하는 것을 특징으로 하는 스크롤 케이스용 벨마우스.
청구항 1에 있어서,
상기 기준각으로부터 자오평면의 위치 결정각을 Ψ, 상기 설부의 위치를 Ψ_c라고 할 때, 상기 Ψ에 관한 상기 벨마우스의 반경 R(Ψ)은 하기 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 스크롤 케이스용 벨마우스.
<수학식>

(여기서, R₀는 상기 원심 블로어의 중심으로부터 상기 벨마우스까지의 기초 반경, A_r은 상기 유출부에서의 스크롤 케이스의 유로 단면적(A_e)을 상기 설부에서의 스크롤 케이스의 유로 단면적(A_c)으로 나눈 비)
청구항 4에 있어서,
상기 A_r은 1.6 이상 1.8 이하인 것을 특징으로 하는 스크롤 케이스용 벨마우스.