KR102615058B1 - 차량의 내부 공간에 균일한 공기 흐름을 제공하기 위한 에어 노즐 - Google Patents

차량의 내부 공간에 균일한 공기 흐름을 제공하기 위한 에어 노즐 Download PDF

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Abstract

차량의 내부 공간에 균일한 공기 흐름을 제공하기 위한 에어 노즐이 제공된다. 에어 노즐은, 차량의 내부에 기존에 제공되는 공기 배출구와 결합되어 공기 배출구로부터 배출되는 공기가 유입되고, 차량의 내부 공간에 균일한 공기 흐름이 제공한다. 에어 노즐은 내부에 공기의 유동을 안정시키기 위한 유동 리브를 구비한다. 시뮬레이션에 기초하여 유동안정성을 위한 최적설계가 이루어질 수 있다.

Description

차량의 내부 공간에 균일한 공기 흐름을 제공하기 위한 에어 노즐{Air nozzle for providing uniform air flow in inner space of a vehicle}
본 발명은 차량의 내부 공간에 균일한 공기 흐름을 제공하기 위한 에어 노즐에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 차량의 내부에 기존에 제공되는 공기 배출구와 결합되어 공기 배출구로부터 배출되는 공기가 유입되고, 차량의 내부 공간에 균일한 공기 흐름이 제공되도록 유입된 공기를 유출시키는 에어 노즐에 관한 것이다.
기존의 차량에는 차량의 내부 공간의 공기조화 등을 위하여 복수개의 공기 배출구를 구비하고 있다. 이러한 차량의 공기 배출구는, 냉난방을 고려하여 차량의 내부 공간에서 공기의 순환 및 혼합이 잘 이루어지도록 위치 및 배출량이 설계되며, 차량의 측부, 천장, 바닥 등 다양한 위치에 배치된다.
그러나, 최근 팬데믹 상황에서는, 차량의 내부 공간에서의 공기의 순환이 잘 이루어지면 바이러스에 의한 감염 위험이 증가한다는 문제가 있다. 특히, 다인승 차량의 경우 탑승객 중 감염자가 존재할 수 있기 때문에 가급적 차량의 내부 공간에서 공기의 흐름은 균일한 것이 오히려 바람직하다.
이를 위해 차량의 공조시스템을 개조하는 것은 비용이 많이 소요된다. 따라서, 기존 차량에 설치가 용이하면서도 경제적인 수단이 필요하다.
EP 2815909 A
본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 하는 것으로서, 기존 차량의 공기조화를 위한 공기 유출구와 결합되어 차량의 내부 공간에 균일한 공기 흐름을 제공하는 에어 노즐을 제공하는 것이다.
본 발명에 일 양태에 의하여, 차량의 내부 공간에 균일한 유동을 제공하기 위한 에어 노즐로서, 길이방향으로 긴 형태를 가지며, 상기 길이방향 단면에서 보았을 때 상면부, 하면부 및 상기 상면부와 상기 하면부를 연결하고 서로 마주보는 한쌍의 측면부를 구비하고, 공기가 흐르는 공간을 한정하는 챔버부; 상기 길이방향을 따라 상기 챔버부의 하면부의 일부를 개방하여 형성되며, 차량의 내부 공간으로 공기를 배출하는 공기 유출부; 및, 상기 길이방향을 따라 연장되도록 형성되며, 상기 챔버부에 의하여 한정되는 공간 내에서 상기 챔버부의 상면부와 상기 공기 유출부 사이에 배치되고, 상기 공기 유출부로부터 유출되는 공기의 흐름을 균일하게 만드는 유동 리브를 포함하는 에어 노즐이 제공된다.
상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 상면부의 길이에 대한 상기 공기 유출부의 개방된 길이는 0.38 내지 0.4 사이의 비율을 갖는 것이 바람직하다.
상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 챔버부의 하면부의 길이는 상기 챔버부의 상면부의 길이보다 짧고, 상기 챔버부의 측면부는 상기 상면부로부터 상기 하면부를 향하여 경사지게 형성되는 것이 좋다.
바람직하게는, 상기 챔버부의 측면부는 상기 상면부로부터 상기 하면부를 향하여 경사진 각도는 10도 내지 15도 사이이다.
상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 유동 리브는 소정의 각도로 꺾인 모서리를 갖고, 상기 모서리의 돌출되는 부분이 상기 챔버부의 상면부를 향하도록 배치된다. 상기 유동 리브의 모서리의 각도는 65도 내지 115도 사이인 것이 좋다. 상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 유동 리브의 모서리와 상기 챔버부의 상면부 사이의 거리가 상기 유동 리브의 양측 단부와 상기 챔버부의 하면부의 사이의 거리보다 짧은 것이 바람직하다. 또한, 상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 유동 리브의 모서리로부터 상기 유동 리브의 일측 단부까지의 직선 거리는 상기 유동 리브의 해당 일측 단부로부터 상기 상기 챔버부의 측면부의 사이의 간격보다 큰 것이 좋다.
에어 노즐은, 상기 챔버부의 상면부에 마련되며, 차량의 공기조절기의 유출부로부터 유출되는 공기가 상기 챔버부에 의하여 한정되는 공간 내로 유입되도록 하는 공기 유입부를 더 포함할 수 있다. 상기 공기 유입부는 상기 챔버부의 상면부를 상기 길이방향에서 일부 구간만 개방하여 형성되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 에어 노즐은, 기존 차량의 공기조화를 위한 공기 유출구와 결합이 가능하며, 차량의 내부 공간에 균일한 공기의 흐름을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에어 노즐의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 에어 노즐의 단면 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 에어 노즐을 기존 차량의 천장에 배치된 공기 유출구와 결합하여 설치하는 예를 도시한다.
도 4는 도 1에 도시된 에어 노즐의 길이방향 단면도로서, 설계를 위한 변수들이 표시되어 있다.
도 5는 시뮬레이션 결과 중 하나로서 유선(streamline)을 도시한다.
도 6은 박스-벤켄법을 이용한 최적설계 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 박스-벤켄법을 이용한 최적설계 결과를 나타내는 표이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 등가인 것 내지 대체하는 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며 해당되는 구성요소들은 이러한 용어들에 의해 한정되지 않는다. 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 "포함한다", "구비한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 한정하려는 것으로 이해되어야 하며, 하나 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들이 존재할 또는 부가될 가능성을 배제하려는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 에어 노즐의 사시도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1에 도시된 에어 노즐의 단면 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 1에 도시된 에어 노즐을 기존 차량의 천장에 배치된 공기 유출구와 결합하여 설치하는 예를 도시하고 있다. 또한, 도 4에는 도 1에 도시된 에어 노즐의 길이방향 단면도가 도시되어 있으며, 설계를 위한 변수들이 표시되어 있다.
에어 노즐(100)은 본체(101) 및 공기 유입부(102)를 포함한다. 본체(101)는 공기 유입부(102)를 통하여 제공받은 공기를 차량의 내부 공간으로 균일한 공기 흐름을 형성하도록 배출한다. 도시된 실시예에서는 공기 유입부(102)가 2개이며, 본체(101)의 길이방향 양쪽 끝부분에 배치된다. 공기 유입부(102)는 도 3에 도시된 바와 같이, 차량의 공기조화를 위한 공기 유출구(10)와 결합되며, 공기 유출구(10)를 통하여 배출되는 공기를 본체(101)에 제공한다.
본체(101)는 길이방향을 따라 연장되는 형태를 갖는다. 도 2를 참조하면, 본체(101)는 복수개의 벽부에 의하여 한정되는 내부 공간인 챔버부(110), 차량 내부로 공기를 배출시키는 공기 유출부(120) 및 챔버부 내부에 배치되는 유동 리브(130)를 구비한다. 챔버부(110)는, 공기 유입부측의 상면부(112), 상면부(112)와 서로 마주보는 하면부(114), 상면부(112)와 하면부(114)를 연결하고 서로 마주보는 한쌍의 측면부(116)에 의하여 한정된 공간으로 이루어진다. 도시된 실시예에서, 상면부(112)의 길이는 하면부(114)의 길이보다 길다. 이에 따라, 측면부는 상면부(112)에서 하면부(114)를 향하여 경사지게 형성된다. 도시된 실시예에서는 하면부(114)와 직교하는 선에 대해 측면부(116)의 경사각은 약 12도이다. 챔버부(110)의 하면부(114)에는 공기 유출부(120)가 제공된다. 도시된 실시예에서, 공기 유출부(120)는 에어 노즐(100)의 몸체부(101)의 길이방향을 따라 연장된다. 챔버부(110)의 내부에는 ㄱ-자 형태를 갖는 유동 리브(130)가 배치된다. 유동 리브(130)는 몸체부(101)의 길이방향을 따라 연장되며, 움직이지 않도록 위치가 고정된다. 유동 리브(130)의 모서리의 돌출된 부분은 챔버부(110)의 상면부(112)를 향하도록 배치된다.
도 1 내지 4에 도시된 실시예에 따른 에어 노즐과 관련하여 최적의 설계를 결정하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 방법으로는 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)를 이용하였으며, 설계 변수의 최적화를 위해서 반응 표면 설계의 박스-벤켄(Box-Behnken)법을 이용하였다. 설계 변수로서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 변수, 즉, Width, Angle, Space 및 Height를 이용하였다. Width는 길이방향 단면에서 보았을 때 공기 유출부(120)의 길이이며, Angle은 유동 리브(130)의 모서리의 각도이고, Space는 유동 리브(130)의 어느 한쪽 단부와 챔버부(110)의 측면부(116) 사이의 거리이며, Height는 유동 리브(130)의 모서리와 챔버부(110)의 상면부(112) 사이의 거리이다.
각 부재의 두께는 에어 노즐의 전체 무게를 줄이면서 최소한의 강도를 유지할 수 있도록 설정하였다. 도 4에 도시된 실시예에서는, 챔버부(110)의 벽부의 두께는 5mm로 설정하였으며, 유동 리브(130)의 두께는 1mm로 설정하였다.
전산 유체 역학 시뮬레이션은 3차원 형상을 갖는 에어 노즐의 길이방향 단면을 기초로 2차원으로 단순화하여 이루어졌다. 난류 모델로는 k-w sst 모델을 이용하였으며, 최소 10만개 이상의 격자를 구성하였다. 챔버부(110)로 유입되는 공기의 평균 속도는 10m/sec로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
도 5에는 시뮬레이션 결과 중 하나로서 유선(streamline)이 도시되어 있다. 유동 리브(130)의 모서리에서는 정체점(stagnation point)가 관찰되지만, 유로 축소에 의하여 영향이 미미하다. 유동 리브(130)와 챔버부(110)의 측면부 사이의 간격(Space)의 영향으로 유로가 감소하며 1차 가속 현상이 발생한다. 유동 리브(130)의 후류에는 와류로 인한 와류 버블(vortex bubble)이 형성되는 것으로 나타났다. 와류 버블의 외부에 발생하는 주된 유동의 실제 면적은 좁은 영역에서 발생한다. 공기 유출부(120)의 유로 형상에 의해 2차 가속 현상이 발생한다.
도 6 및 도 7에는 박스-벤켄법을 이용한 최적설계 결과가 나타나 있다. 박스-벤켄법의 반응변수로서는, 최고 유속, 실효 (root mean square) 유속 및 가속 인자(acceleration factor, AF)를 이용하였다. 가속 인자는 공기 유출부에서 이론상 유출 속도에 대한 시뮬레이션상의 유출 속도의 비로 주어진다. 이론상 유출 속도는 유입 속도(본 실시예에서는 10m/sec), 유입부 면적(본 실시예에서는 챔버부의 상면부의 거의 전체 길이이며, 본 실시예의 시뮬레이션에서는 85의 값을 가짐) 및 유출부 면적(본 실시예에서는 공기 유출부의 길이이며 설계변수로서 Width임)과 질량 보존의 법칙으로부터 얻을 수 있다. 반응변수를 설계변수에 기초한 회귀방정식으로 나타낸 결과가 도 6에 도시되어 있다. 도시된 바로부터 알 수 있듯이, 설계변수 Height 및 Space에 대해서 모든 반응변수는 선형적으로 반응한다. 설계변수 Width는 반응변수인 최고 유속과 실효 유속에 대하여 반비례하는 경향을 나타내며, AF에 대하여는 비례하는 경향을 나타낸다. Width가 증가할수록 유동 불안정성이 커지며, 유동의 국부적인 가속 및 평균 유속이 증가하는 것으로 나타났다. 설계변수 Angle에 대해서는 반응변수들이 변곡점을 가지는 곡선을 형태로 나타난다. 최적화의 목표를 유동안정성으로 설정하면, 각 반응변수, 즉, 실효 유속, 최대 유속 및 AF 모두에 대해 작을수록 좋다(망소 특성). 이러한 조건을 적용하면, 설계변수의 최적치는 도 7의 표에서 솔루션 1임을 알 수 있다. 솔루션 2 및 3의 경우도 유동안정성이 최적은 아니지만 허용할 수 있는 범위에 들어오는 것으로 판단된다.
도 7의 표에 나타난 바로부터 알 수 있듯이, 챔버부(110)의 유입부 면적(85)에 대한 유출부 면적(Width)의 비율은 대략 0.38에서 0.40 사이이며, Angle은 64도에서 115도 사이에서 최적의 유동안정성을 나타낸다. Height 및 Space는 각각 고정된 값을 갖는다.
전술한 상세한 설명은 어떤 면에서도 제한적으로 해석되어서는 아니되며 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10: 차량의 공기 유출구
100: 에어 노즐
101: 몸체부
102: 공기 유입부
110: 챔버부
120: 공기 유출부
130) 유동 리브

Claims (10)

  1. 차량의 내부 공간에 균일한 유동을 제공하기 위한 에어 노즐로서,
    길이방향으로 긴 형태를 가지며, 상기 길이방향 단면에서 보았을 때 상면부, 하면부 및 상기 상면부와 상기 하면부를 연결하고 서로 마주보는 한쌍의 측면부를 구비하고, 공기가 흐르는 공간을 한정하는 챔버부;
    상기 길이방향을 따라 상기 챔버부의 하면부의 일부를 개방하여 형성되며, 차량의 내부 공간으로 공기를 배출하는 공기 유출부; 및,
    상기 길이방향을 따라 연장되도록 형성되며, 상기 챔버부에 의하여 한정되는 공간 내에서 상기 챔버부의 상면부와 상기 공기 유출부 사이에 배치되고, 상기 공기 유출부로부터 유출되는 공기의 흐름을 균일하게 만드는 유동 리브
    를 포함하며,
    상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 유동 리브는 소정의 각도로 꺾인 모서리를 갖고, 상기 모서리의 돌출되는 부분이 상기 챔버부의 상면부를 향하도록 배치되고,
    상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 유동 리브의 폭은 상기 공기 유출부의 개방된 길이 보다 크게 형성되어, 상기 유동 리브의 후면과 상기 공기 유출부 사이의 공간에 와류 버블이 형성되도록 하는
    에어 노즐.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 상면부의 길이에 대한 상기 공기 유출부의 개방된 길이는 0.38 내지 0.4 사이의 비율을 갖는
    것을 특징으로 하는 에어 노즐.

  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 챔버부의 하면부의 길이는 상기 챔버부의 상면부의 길이보다 짧고, 상기 챔버부의 측면부는 상기 상면부로부터 상기 하면부를 향하여 경사지게 형성되는
    것을 특징으로 하는 에어 노즐.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버부의 측면부는 상기 상면부로부터 상기 하면부를 향하여 경사진 각도는 10도 내지 15도 사이인
    것을 특징으로 하는 에어 노즐.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유동 리브의 모서리의 각도는 65도 내지 115도 사이인
    것을 특징으로 하는 에어 노즐.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 유동 리브의 모서리와 상기 챔버부의 상면부 사이의 거리가 상기 유동 리브의 양측 단부와 상기 챔버부의 하면부의 사이의 거리보다 짧은
    것을 특징으로 하는 에어 노즐.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 길이방향 단면에서 보았을 때, 상기 유동 리브의 모서리로부터 상기 유동 리브의 일측 단부까지의 직선 거리는 상기 유동 리브의 해당 일측 단부로부터 상기 상기 챔버부의 측면부의 사이의 간격보다 큰
    것을 특징으로 하는 에어 노즐.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버부의 상면부에 마련되며, 차량의 공기조절기의 유출부로부터 유출되는 공기가 상기 챔버부에 의하여 한정되는 공간 내로 유입되도록 하는 공기 유입부를 더 포함하는
    것을 특징으로 하는 에어 노즐.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 공기 유입부는 상기 챔버부의 상면부를 상기 길이방향에서 일부 구간만 개방하여 형성되는
    것을 특징으로 하는 에어 노즐.
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