KR101443911B1 - 팬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 블레이드에서 박리 형상이 발생되는 트레일링 에지 측의 일부 영역 감소시키고 허브의 외주면에 경사부를 형성하는 팬에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 각 블레이드에서 박리 현상을 최소화하여 소음을 감소키고, 상기 허브 영역에서 공기의 송풍 성능을 향상시킬 수 있다.

팬, 허브, 블레이드, 트레일링 에지

Description

팬{FAN}

본 발명은 팬에 관한 것이다.

일반적으로 팬은 공기를 송풍하는 장치이다. 상기 팬에는 축방향으로 흡입된 공기를 축방향으로 토출하는 축류팬이 있다.

상기 축류팬은 허브의 외주면에 다수의 블레이드가 형성된 구조를 갖는다. 상기 축류팬이 회전되면, 공기가 리딩 에지에서 트레일링 에지 측으로 정압면을 따라 유동되면서 토출된다.

그러나 종래의 축류팬은 정압면의 중심부에서 압력이 가장 크게 형성되고 트레일링 에지 근처에서 압력이 낮게 형성된다. 따라서, 상기 각 블레이드의 트레일링 에지 근처에서 공기의 박리 현상이 발생됨에 따라 소음이 증가되었다. 또한, 상기 박리 현상에 의해 송풍 성능이 감소되었다.

또한, 상기 축류팬에 원추형 허브가 적용될 경우, 상기 축류팬의 송풍 능력은 향상되지만 상기 축류팬을 공기 흡입단과 토출단에서 2개의 금형이 가압 성형하는 2단 금형으로 제작할 수 없다. 그 이유는, 상기 허브의 외주면 중에서 상기 블레이드의 정압면측 부분이 원추형으로 형성되므로, 상기 블레이드의 정압면측의 금 형이 빠지지 않게 되기 때문이다. 따라서, 상기 허브를 원추형으로 형성할 경우 축류팬의 제조비용이 상승되었다.

본 발명의 목적은 각 블레이드의 트레일링 에지 근처에서 박리 현상이 발생되는 것을 최소화하여 소음을 감소시키고 송풍 성능을 향상시킬 수 있는 팬을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 허브가 토출단 측으로 확대되는 형태로 형성되면서도 2단 금형으로 제작될 수 있는 팬을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 허브; 및 상기 허브의 외주면에 형성되고, 레이크각과 캠버가 선택됨에 따라 트레일링 에지의 기준 선형이 결정되는 다수의 블레이드가 포함되고, 상기 각 블레이드의 트레일링 에지는 상기 허브 토출단의 회전축에 수직한 제1가상선과, 상기 제1가상선에서 상기 허브 직경의 25% 높이의 제2가상선 사이에 형성되는 팬이 제공된다.

본 발명의 다른 양태에 의하면, 허브; 및 상기 허브의 외주면에 형성되고, 레이크각과 캠버가 선택됨에 따라 트레일링 에지의 기준 선형이 결정되는 다수의 블레이드가 포함되고, 상기 허브의 외주면에 경사진 형태의 경사부가 형성되고, 상기 각 블레이드의 트레일링 에지는 상기 허브 토출단의 회전축에 수직한 제1가상선과, 상기 제1가상선에서 상기 허브 직경의 25% 높이의 제2가상선 사이에 형성되는 팬이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 허브; 및 상기 허브의 외주면에 형성되고, 레이크각과 캠버가 선택됨에 따라 트레일링 에지의 기준 선형이 결정되는 다수의 블레이드가 포함되고, 상기 허브의 외주면에 공기 흡입단에서 공기 토출단으로 갈수록 확산되게 경사진 경사부가 형성되고, 상기 각 블레이드의 트레일링 에지는 상기 허브 토출단의 회전축에 수직한 제1가상선과, 상기 제1가상선에서 상기 허브 직경의 25% 높이의 제2가상선 사이에 형성되는 팬이 제공된다.

본 발명에 의하면, 각 블레이드에서 트레일링 에지 근처의 일부 영역을 제거하여 팬 소음을 감소시키고 풍량을 증가시키는 효과가 있다.

본 발명에 의하면, 허브가 토출단 측으로 확대되는 형태로 형성되면서도 2단 금형으로 제작될 수 있으므로, 팬의 제조 단가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 구체적인 실시예에 관해 설명하기로 한다.

일반적으로 축류팬에는 허브와 다수의 블레이드가 포함된다. 상기 블레이드의 형상은 스윕각(sweep angle), 레이크각(rake angle), 피치각(pitch angle), 캠버(camber) 및 캠버의 위치와 같은 인자들로 정의될 수 있다. 상기 축류팬은 이러한 인자들로 인한 3차원 형상에 따라 공기의 송풍 성능 및 소음 특성이 결정된다. 이하에서는 본 발명을 설명하기에 앞서 축류팬을 정의하는 인자들에 관해 설명하기 로 한다.

도 1은 일반적인 축류팬의 피치각을 도시한 상면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 스윕각(Ψ)은 상기 허브(10)와 블레이드(50)가 연결되는 부분의 중간점 P1 과 허브(10)의 중심을 연결한 직선과, 상기 블레이드(50)의 끝단인 팁(58)의 중간점 P2와 허브(10)의 중심을 연결한 직선과의 각도로 정의된다.

도 2는 일반적인 축류팬의 레이크각을 도시한 사시도이다.

도 2를 참조하면, 상기 레이크각(γ)은 상기 P1과 P2를 연결한 직선과, 상기 허브(10)의 회전축에 수직한 직선과의 각도로 정의된다. 상기 레이크각(γ)은 상기 블레이드(50)가 허브(10)의 회전축에 수직한 직선에 대하여 일측으로 얼마나 기울어졌는지를 정의한다.

도 3은 일반적인 축류팬의 스윕각을 도시한 사시도이다.

도 3을 참조하면, 상기 피치각(θ)은 블레이드(50)와 허브(10)가 연결되는 부분의 양끝단을 연결한 직선과, 상기 허브(10)의 회전축에 평행한 직선과의 각도로 정의된다. 상기 피치각(θ)은 블레이드(50)가 허브(10)의 회전축에 대하여 얼마나 비틀려 있는지를 정의한다.

한편, 상기 캠버는 상기 블레이드(50)의 정압면(51)이 부압면(52) 측으로 오목하게 함몰되는 비율로 정의된다.

도 4는 본 발명에 따른 축류팬의 일예를 도시한 사시도이다.

도 4를 참조하면, 상기 축류팬에는 회전축에 결합되는 허브(10)와, 상기 허 브(10)의 외주면에 형성되는 다수의 블레이드(50)가 포함된다.

여기서, 상기 블레이드(50)의 회전 방향의 전단을 리딩 에지(55)(leading edge)라고 정의하고, 상기 블레이드(50)의 회전 방향의 후단을 트레일링 에지(56)(trailing edge)라고 정의하고, 상기 블레이드의 외측 끝단을 팁(58)(tip)이라고 정의한다. 또한, 상기 축류팬 회전시, 공기를 밀어내는 블레이드(50)의 일면을 정압면(51)이라고 정의하고, 상기 정압면(51)에 반대면을 부압면(52)이라고 정의한다. 도번 20은 경사부이고, 도번 30은 원통부이다.

이하에서는 상기 블레이드(50)의 형상을 먼저 설명한 후 허브(10)의 형상에 관해 설명하기로 한다.

도 5는 축류팬의 블레이드의 형상을 도시한 측면도이고, 도 6은 축류팬의 블레이드의 형상을 도시한 정면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 블레이드(50)는 설계시 데이터화되어 있는 스윕각(Ψ), 레이크각(γ), 피치각(θ), 캠버, 캠버 위치 등의 인자들이 프로그램상에 입력될 수 있다. 상기 프로그램상에 인자들이 선택되면, 상기 리딩 에지(55)와 트레일링 에지(56)의 기준 선형(57)이 결정된다. 도 5 및 도 6에서는 트레일링 에지(56)의 기준 선형(57)이 점선으로 도시되어 있다.

상기 블레이드(50)에 레이크각(γ)이 적용되면, 상기 블레이드(50)가 허브(10)의 회전축에 수직한 직선에 대하여 상기 허브(10)의 공기 토출단(12) 측으로 기울어지게 된다.

상기 블레이드(50)의 트레일링 에지(56)는 상기 허브(10) 후단의 회전축에 수직한 제1가상선(L1)과, 상기 제1가상선(L1)에서 상기 허브 직경(D)의 25%(D/4) 높이의 제2가상선(L2) 사이에 형성된다. 따라서, 상기 각 블레이드(50)의 트레일링 에지(56) 측의 영역이 상대적으로 축소될 수 있다.

상기 블레이드(50)가 적용된 축류팬이 회전되는 경우, 공기는 리딩 에지(55)에서 트레일링 에지(56) 측으로 블레이드(50)의 정압면(51)을 따라 유동한다. 이때, 상기 정압면(51)의 중심부의 압력은 상기 트레일링 에지(56)의 기준 선형(57) 근처의 압력에 비해 현저하게 높아진다. 이러한 압력차에 의해 상기 트레일링 에지(56)의 기준 선형(57) 근처에서는 상기 정압면(51)을 따라 유동하던 공기가 정압면(51)으로부터 떨어지는 박리 현상이 급격하게 발생된다. 이때, 상기 박리된 공기와 상기 정압면(51) 사이에는 웨이크(wake)가 발생되고, 상기 웨이크에 의해 소음이 크게 발생된다. 또한, 상기 박리 현상이 급격히 커지는 부분에서는 송풍 성능도 현저히 낮아진다.

따라서, 상기 트레일링 에지(56)를 제1가상선(L1)과 제2가상선(L2) 사이에 형성되도록 함으로써, 박리 현상이 급격히 발생되는 트레일링 에지(56) 근처의 영역을 축소할 수 있다. 따라서, 송풍 성능은 거의 그대로 유지하면서 소음을 감소시킬 수 있다.

상기 각 블레이드(50)의 트레일링 에지(56)는 상기 허브(10)의 축방향에 대략 수직한 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 각 블레이드(50)는 트레일링 에지(56) 근처의 영역이 라운드지게 형성될 수 있다. 이때, 상기 트레일링 에지(56) 측의 정압면(51)이 부압면(52) 측 으로 함몰되도록 캠버(59: 도 4 참조)가 형성될 수 있다. 따라서, 상기 트레일링 에지(56) 영역에서의 캠버는 정압면(51)의 공기가 블레이드(50)의 팁(58) 방향으로 유동하는 현상을 감소키므로, 상기 정압면(51)의 공기가 블레이드(50)의 팁(58)을 넘어 부압면(52) 측으로 유동되는 것을 최소화시킬 수 있다.

또한, 상기 레이크각(γ)은 4-8°로 형성될 수 있다. 이때, 상기 레이크각(γ)이 4°미만인 경우, 상기 정압면(51)에서의 유동 공기가 블레이드(50)의 팁(58)을 타고 공기의 흡입측(21)으로 넘어가므로, 상기 축류팬의 송풍량이 현저히 감소되었다. 또한, 상기 레이크각(γ)이 8°를 초과한 경우, 상기 블레이드(50)가 토출측(22)으로 너무 경사지게 형성되어 공기의 송풍량이 현저히 감소되었다. 따라서, 공기의 송풍 성능을 향상시킬 수 있다.

도 7은 축류팬에서 블레이드를 제거한 허브를 도시한 사시도이고, 도 8은 축류팬에서 허브를 도시한 정면도이며, 도 9는 축류팬에서 허브에 형성된 경사부의 선형을 도시한 선형도이다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 허브(10)의 외주면에는 경사진 형태의 경사부(20)가 형성될 수 있다. 상기 허브(10)의 경사부(20)를 제외한 부분을 원통부(30)라고 칭하기로 한다.

상기 원통부(30)는 상기 허브(10)의 회전축에서 동일한 반경을 가지며, 상기 경사부(20)는 상기 원통부(30)와 만나는 지점을 제외하고 원통부(30)보다 반경이 크게 형성된다.

이때, 상기 경사부(20)는 인접한 블레이드(50)의 리딩 에지(55)와 트레일링 에지(56) 사이에 형성될 수 있다.

상기 경사부(20)는 허브(10)의 공기 흡입단(21)에서 공기 토출단(22)으로 갈수록 상기 허브(10)의 회전축에서 멀어지도록 경사지게 형성될 수 있다. 즉, 상기 경사부(20)는 상기 허브(10)의 공기 흡입단(22)에서 공기 토출단(22)으로 갈수록 상기 허브(10)의 회전축을 기준으로 발산되는 형태를 갖는다. 이때, 상기 경사부(20)의 공기 흡입단(21)은 상기 허브(10)의 외주면과 연속된 면을 이룰 수 있다. 따라서, 상기 허브(10)에서 발산되는 형태로 공기가 토출되므로, 공기의 송풍 성능이 향상될 수 있다. 또한, 상기 축류팬에 회전될 때에 상기 축류팬의 흡입단(21)에서 공기의 유동 저항이 감소될 수 있다.

또한, 상기 경사부(20)는 상기 리딩 에지측(23)의 반경이 트레일링 에지측(24)의 반경보다 크게 형성될 수 있다. 이때, 상기 경사부(20)의 트레일링 에지측(24)은 상기 허브(10)의 외주면과 연속면을 이룰 수 있다. 또한, 상기 경사부(20)의 리딩 에지측(23)은 상기 허브(10)의 외주면과 단차면을 이룰 수 있다. 따라서, 상기 축류팬이 회전될 때에 상기 경사부(20)의 트레일링 에지측(24)이 상기 리딩 에지측(23)에 대하여 선행하므로, 상기 경사부(20)에 의한 공기의 유동 저항이 감소될 수 있다.

이와 같이 허브(10)에 부분적으로 경사부(20)가 형성되어 상기 허브(10)의 공기 토출단(22)이 회전축에 대하여 발산되는 형태를 가지므로, 상기 공기의 토출 성능이 향상될 수 있다.

이와 같은 구성된 본 발명의 횡류팬의 제작과정에 관해 설명하기로 한다.

금형 제작 기기에 상기 팬의 스윕각(Ψ), 레이크각(γ), 피치각(θ), 캠버량, 캠버 위치 등의 인자들을 입력하면, 상기 리딩 에지(55)와 트레일링 에지(56)의 기준 선형(57: 도 5 및 도 6 참조)이 결정된다. 이때, 상기 트레일링 에지(56)가 기준 선형(57)보다 단축되도록 설계한다.

이렇게 설계된 축류팬의 형상에 대응되도록 제1금형(미도시)과 제2금형(미도시)을 제작한다. 이때, 상기 제1금형은 축류팬의 공기 흡입측에 대응되는 형상으로 제작되고, 상기 제2금형은 축류팬의 공기 토출측에 대응되는 형상으로 제작된다.

또한, 상기 허브(10)의 형상이 제작되고, 상기 평평한 형상의 초기 블레이드(50)가 제작된다. 그리고, 상기 허브(10)에 초기 블레이드(50)가 설치된다. 이와 같이 제1,2금형과 초기 축류팬이 제작된다.

그리고, 상기 제1금형은 상기 횡류팬의 공기 흡입측에서 상기 허브(10)의 경사부(20)와 상기 블레이드(50)의 부압면(52)을 지지한다. 또한, 상기 제2금형은 상기 횡류팬의 공기 토출측에서 상기 허브(10)의 경사부(20)를 제외한 원통부(30)와 상기 블레이드(50)의 정압면(51)을 지지한다. 이때, 상기 제1,2금형은 팬의 모든 부분을 둘러싸게 된다.

상기 제1,2금형에서 상기 축류팬에 열이 가하면서 축류팬을 프레스한다. 이때, 상기 축류팬은 상기 제1,2금형의 열과 압력에 의해 상기 스윕각(Ψ), 레이크각(γ), 피치각(θ) 및 캠버로 제작된다.

상기 축류팬의 제작이 완료되면, 상기 제1금형은 상기 축류팬의 공기 흡입측(21)으로 분리되고, 상기 제2금형은 상기 팬의 공기 토출측으로 분리된다. 이때, 상기 경사부(20)는 공기 흡입단(11)에서 공기 토출단(12)으로 갈수록 확산되도록 경사지고 인접한 블레이드(50)의 리딩 에지(55)와 트레일링 에지(56) 사이에 형성되므로, 상기 제1금형은 상기 공기 흡입측(21)으로 원활하게 빠지게 된다. 만약, 상기 경사부(20)가 상기 공기 흡입측(21)에서 공기 토출측(22)으로 수렴하는 형태로 경사지게 형성되면, 상기 축류팬은 제1금형에서 빠지지 않을 것이다.

또한, 상기 허브(10)의 원통부(30)는 회전축에서 동일한 반경을 갖고, 상기 블레이드(50)의 정압면(51)의 공기 토출측(22)은 개방된 상태이므로, 상기 축류팬은 제2금형에서 원활하게 빠지게 된다.

이와 같이 인접한 블레이드(50)의 리딩 에지(55)와 트레일링 에지(56) 사이에 경사부(20)를 형성하여 상기 허브(10)의 일부분이 대략 원추형으로 형성되도록 하더라고, 상기 축류팬을 2단 금형으로 제작할 수 있게 된다.

한편, 상기 제1금형과 제2금형이 제조된 상태에서 상기 제1금형과 제2금형에 용융된 플라스틱과 같은 물질을 제1,2금형 내부에 주입하여 상기 축류팬을 제작할 수도 있다. 이때에도, 상기와 같은 이유에 의해 상기 제1,2금형이 축류팬의 양측으로 원활하게 빠지게 된다.

본 발명은 각 블레이드의 트레일링 에지 근처에서 박리 현상을 최소화하여 소음을 감소시키고, 허브가 토출단 측으로 확대되는 형태로 형성되면서도 2단 금형으로 제작될 수 있으므로, 산업상으로 이용 가능성이 현저하다.

도 1은 일반적인 축류팬의 피치각을 도시한 상면도이다.

도 2는 일반적인 축류팬의 레이크각을 도시한 사시도이다.

도 3은 일반적인 축류팬의 스윕각을 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 축류팬의 일예를 도시한 사시도이다.

도 5는 도 4의 축류팬의 블레이드의 형상을 도시한 측면도이다.

도 6은 도 4의 축류팬의 블레이드의 형상을 도시한 정면도이다.

도 7은 도 4의 축류팬에서 블레이드를 제거한 허브를 도시한 사시도이다.

도 8은 도 4의 축류팬에서 허브를 도시한 정면도이다.

도 9는 도 4의 축류팬에서 허브에 형성된 경사부의 선형을 도시한 선형도이다.

Claims (20)

1. 공기가 흡입되는 면인 공기 흡입단과, 상기 공기가 토출되는 면인 공기 토출단을 구비하고 회전축을 기준으로 회전하는 허브; 및

   상기 허브의 외주면에 형성되고, 레이크각과 캠버가 선택됨에 따라 트레일링 에지의 기준 선형이 결정되는 다수의 블레이드를 포함하고,

   상기 각 블레이드의 트레일링 에지는, 상기 회전축에 수직하고 상기 공기 토출단의 일 지점과 만나는 제1가상선과, 상기 제1가상선에서 평행하여 상기 공기가 토출되는 방향으로 상기 허브 직경의 25% 높이의 제2가상선 사이에 형성되는 팬.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 블레이드의 트레일링 에지는 상기 회전축과 수직한 방향으로 형성되는 팬.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 블레이드의 트레일링 에지는 라운드지게 형성되는 팬.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 트레일링 에지에 인접한 정압면은 오목하게 형성되는 팬.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 레이크각은 4-8°인 팬.
6. 공기가 흡입되는 면인 공기 흡입단과, 상기 공기가 토출되는 면인 공기 토출단을 구비하고 회전축을 기준으로 회전하는 허브; 및

   상기 허브의 외주면에 형성되고, 레이크각과 캠버가 선택됨에 따라 트레일링 에지의 기준 선형이 결정되는 다수의 블레이드를 포함하고,

   상기 허브는 그 외주면 결합된 경사진 형태의 경사부를 포함하고,

   상기 각 블레이드의 트레일링 에지는, 상기 회전축에 수직하고 상기 공기 토출단의 일 지점과 만나는 제1가상선과, 상기 제1가상선에서 평행하여 상기 공기가 토출되는 방향으로 상기 허브의 직경의 25% 높이의 제2가상선 사이에 형성된 팬.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 각 블레이드의 트레일링 에지는 상기 허브의 축방향과 수직한 방향으로 형성되는 팬.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 각 블레이드의 트레일링 에지는 라운드지게 형성되는 팬.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 트레일링 에지에 인접한 정압면이 오목하게 형성되는 팬.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 레이크각은 4-8°인 팬.
11. 제 6 항에 있어서,

    상기 경사부는 서로 인접한 각 블레이드의 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에 형성되는 팬.
12. 제 6 항에 있어서,

    상기 경사부의 표면은 상기 공기 흡입단에서 상기 공기 토출단으로 갈수록 회전축에서 멀어지도록 형성되는 팬.
13. 제 6 항에 있어서,

    상기 공기 흡입단 측의 상기 경사부의 표면에서 상기 회전축과의 최단 거리는 상기 허브의 외주면의 반경과 동일한 팬.
14. 제 6 항에 있어서,

    상기 허브의 외주면에서 상기 경사부 표면까지의 높이는 상기 각 블레이드 중 일 블레이드의 리딩 에지측이 상기 일 블레이드와 인접하는 다른 블레이드의 트레일링 에지측 보다 높게 형성되는 팬.
15. 제 6 항에 있어서,

    상기 공기 흡입단 방향의 상기 경사부의 표면은 허브의 외주면과 연속된 면을 이루는 팬.
16. 제 6 항에 있어서,

    상기 트레일링 에지 방향의 상기 경사부의 표면은 상기 허브의 외주면과 연속된 면을 이루는 팬.
17. 공기가 흡입되는 면인 공기 흡입단과, 상기 공기가 토출되는 면인 공기 토출단을 구비하고 회전축을 기준으로 회전하는 허브; 및

    상기 허브의 외주면에 형성되고, 레이크각과 캠버가 선택됨에 따라 트레일링 에지의 기준 선형이 결정되는 다수의 블레이드를 포함하고,

    상기 허브는 그 외주면에 결합된 상기 공기 흡입단에서 상기 공기 토출단으로 갈수록 확산되게 경사진 경사부를 포함하고,

    상기 각 블레이드의 트레일링 에지는, 상기 회전축에 수직하고 상기 공기 토출단의 일 지점과 만나는 제1가상선과, 상기 제1가상선에서 평행하여 상기 공기가 토출되는 방향으로 상기 허브의 직경의 25% 높이의 제2가상선 사이에 형성된 팬.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 공기 흡입단 방향의 상기 경사부의 표면은 상기 허브의 외주면과 연속된 면을 이루는 팬.
19. 제 17 항에 있어서,

    상기 허브의 외주면에서 상기 경사부 표면까지의 높이는 상기 각 블레이드 중 일 블레이드의 리딩 에지측이 상기 일 블레이드와 인접하는 다른 블레이드의 트레일링 에지측 보다 높게 형성되는 팬.
20. 제 17 항에 있어서,

    상기 각 블레이드는 트레일링 에지는 라운드지게 형성되는 팬.

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