KR19990007199A - 횡류 팬용 유동 안정기 - Google Patents

횡류 팬용 유동 안정기 Download PDF

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Abstract

횡류 팬의 임펠러 내의 저 주파수 유동 진동 및 그에 의한 횡류 팬의 임펠러로부터 나오는 소음을 줄이기 위한 유동 안정기(stabilizer)가 마련된다. 이러한 진동과 소음은 팬이 공기 조화 유니트의 열 교환기의 하류측에 위치되는 장치에서 발생된다. 안정기는 열 교환기의 하류측 면과 임펠러의 흡입측 사이에 위치되는 베인이다. 베인은, 감소시키지 못하게 되면 임펠러 내에 진동 블레이드 정체 및 그와 관련된 소음을 야기시킬 수도 있는, 국부화 역 와류 유동이 감소될 수 있도록 위치 및 배향된다.

Description

횡류 팬용 유동 안정기
플레이트-핀형 열교환기의 하류측에 횡류 팬을 위치시켜 사용하는 공기 조화 시스템에는 저주파수 유동 진동이 발생한다. 이러한 진동은 열교환기의 하류측면과 팬 인입구 사이에서 팬 회전에 반대되는 와류(whirling flow)와 관계된다. 이러한 상태는 임펠러 인입구의 국부 부분에 대한 유동 입사각이 과도해지게 하므로, 그 부분 안에는 지체 또는 정체 유동이 발생하게 된다.
정체 유동의 국부화 성질은 유동을 불안정하게 하며 팬의 회전 주파수 n의 30 내지 80%의 범위에서 주파수 fs의 진동을 하게 한다. 블레이드가 비정상 상태에서 상호 작용하게 되면, 진동 정체는 정체 진동 주파수 Fs, 임펠러 내의 블레이드의 수 Z 및 팬 회전 주파수 n에 상응하는 주파수의 과도한 소음을 발생시키게 된다. Z·n인 적은 블레이드 통과 주파수 BPF이고, 이에 따라 과잉 소음은 BPF의 30 내지 80% 범위의 주파수의 부차 BPF이다.
본 발명은 일반적으로 횡류 팬(transverse fan) 또는 횡직교류 팬(cross-flow fan)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 진동하는 공기류 정체의 발생을 방지하고 그 결과에 따른 부차 브레이드 통과 주파수 소음을 방지하는 안정기 베인을 구비하는 횡류 팬에 관한 것이다.
본 발명은 진동하는 블레이드 정체 및 그 결과에 따른 소음을 방지 또는 감소시키는 유동 안정기(stabilizer) 베인을 상기와 같은 정체 현상을 겪게 되는 횡류 팬 및 열교환기 조립체에 사용하는 것이다. 베인은 열교환기의 하류측 면과 거의 동일한 폭으로 이루어져서 하류측 면으로부터 돌출한다. 베인은 이것의 말단 단부와 임펠러 간의 간격을 좁게 유지하면서 팬 임펠러를 향하여 연장된다. 베인은 측방향 횡단면 부분에서는 직선으로 형성되지만, 바람직한 실시예에서 횡단면 부분은 구조적 강성이 이루어지도록 하기 위하여 직선이 아닌 형태로 할 수 있는데, 그에 따라 베인의 두께를 과도하지 않게 하면서도 불규칙 진동(flutter)을 방지할 수 있게 된다. 이하의 양호한 실시예에 대한 설명에서는 베인의 양호한 크기 결정, 배치 및 배향에 관하여 설명할 것이다.
본 발명의 목적은 진동하는 블레이드 정체를 방지하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 횡류 팬 코일 장치에 있어서 저주파수 유동 진동을 감소 또는 제거하기 위한 것이다. 이들 목적과 이하에서 명확하게 알 수 있게 되는 기타 다른 목적은 본 발명에 의해 달성된다.
도1은 종래 기술의 유니트와 본 발명의 베인을 채용한 유니트에 대한 정규화 주파수 f/BPF에 대한 데시벨 단위의 음압 수준의 플롯도로서, 여기서 f는 초 당 사이클로 나타낸 음 주파수, BPF는 초 당 사이클로 나타낸 블레이드 통과 주파수.
도2는 종래 기술의 유니트와 베인을 채용한 유니트에 대해서 1/3 옥타브, A-가중 음력 스펙트럼을 나타내는 플롯도.
도3은 인입구가 차단되지 않은 상태에서 작동하는 종래 기술의 횡류 팬에 대한 개략 선도.
도4는 부속된 열교환기에 대한 위치 결정에 의해 야기되는 불리한 공기 역학적 상태에서 작동하는 종래 기술의 횡류 팬의 개략 선도.
도5는 도4에 도시된 것과 동일한 상태에서 작동하는 횡류 팬의 블레이드 안으로 들어가는 공기류 벡터의 개략 선도.
도6은 도4에 도시된 것과는 동일한 상태이지만 본 발명의 베인이 장착된 상태에서 작동하는 횡류 팬의 개략 선도.
도7 내지 도10은 4가지의 다른 장착 방식의 횡류 팬의 개략 선도로서, 본 발명을 설명하는 데 있어 유용한 일부 치수들의 관계를 나타내는 도면.
도11은 횡류 팬과 본 발명의 베인을 도시한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: 팬 코일 유니트
110: 케이싱
111: 인입 그릴
120, 520, 620, 720, 820: 열 교환기
121, 521, 621, 721: 하류측 면
131, 231, 531, 631: 임펠러
151, 551: 베인
기본적으로, 팬과 열 교환기 사이의 간격이 가장 좁은 상류측의 바로 그 영역에서 팬의 회전 방향으로 회전 유동을 부여할 수 있도록 배향된 열 교환기의 하류측에는 하나의 베인이 위치되고, 이에 의해 국부화 역 와류 유동은 감소되는데, 만일 이렇지 않은 경우에는 진동하는 블레이드 정체 또는 그 결과에 따른 소음이 발생되는 경향이 있다.
도1은 본 발명의 베인이 있는 경우와 없는 경우에 정규화 주파수에 대한 측정된 음압 수준을 나타내는 것이다. 데이타는 일반적으로 서로를 쫓아가는데, 본 발명의 베인은 본 발명의 베인이 없는 상응하는 유니트와 비교할 때에 광역의 부차 BPF 피크치를 실질적으로 낮춘다.
도2는 도1에 대응하는 A 가중 1/3 옥타브 음력 스펙트럼(A-weighted 1/3 octave sound power)을 나타내는 것이다. A 가중은 인간의 가청 범위를 나태내기 위한 보정을 제공한다. 본 발명의 베인이 존재하는 경우에는 저주파수 소음이 상당히 감소하게 된다.
도3에서, 종래 기술의 횡류 또는 횡직교류 팬(30)은 청정 인입 유동 환경에서 작동된다. 유선(streamline)은 흡입 인입구(32)로부터 임펠러(31)를 통하여 토출 배출구(33)로 이르는 부드러운 통과를 나타내는 것이다. 폐쇄 루프의 유선은 잘 알려져 있는 바와 같은 팬 내에서의 와동(vortex) 영역을 나타내는 것이다. 도4에 도시된 종래 기술의 팬(230)은 부차 BPF 소음 생성에 일조를 하는 공기 역학적 환경에서 작동한다. 열 교환기(220) 외에도 팬(230)은 팬(30)과 다르다. 열 교환기(220)는 2개의 부분(220-1, 220-2)으로 이루어진 것으로 예시되고 있지만, 하나의 부분이나 혹은 2 이상의 부분으로 구성될 수도 있다. 임펠러(231)는 열 교환기(220)의 하류측 면(221)의 일부분에 아주 인접하게 위치된다.
또한, 임펠러(231)가 하류측 면(221)의 최상 도달부로부터 빨아들이는 공기는 큰 각도로 꺾여서 유선으로 나타낸 바와 같이 임펠러 안으로 진입 및 통과하여 토출 배출구(233) 안으로 들어간다. 흡인 인입구(232)의 영역(S)에서, 임펠러(231)의 블레이드의 주변부 또는 선단은, 임펠러(231)와 하류측 면(221) 사이의, 열 교환기(220)의 하류측 면(221)에 수직한 팬(231)의 축선(AR)으로부터 연장되는 선인 선(L1)으로 나타낸 바와 같은, 최근접 근접부의 지점에서 시작하는 회전 방향에 대항해서 인입 공기 유동 쪽으로 전진해 간다. 영역(S)은 L1에서 L2로 회전하는 방향으로 연장되는데, 여기서 L2는 축선(AR)으로부터의 임펠러의 외경 D0의 130%이다. 도5는, 선단(236)을 구비하며 그리고 영역(S)에서의 블레이드 선단 주변 속도 U, 절대 공기 속도 V 및 결과적인 상대 공기 속도 W 간의 도시된 벡터 관계가 형성되도록 초 당 n의 회전 속도로 축선(AR)을 중심으로 회전하는 임펠러(231)의 블레이드(235)를 나타내는 것이다. 속도 V의 방향이 속도 U의 방향과 충분히 근접하는 경우, 결과적인 공기 속도 W는 유동 입사각 i를 과도하게 하는데, 이 결과 블레이드(235) 위에서 유동하는 공기가 정체 또는 분리되게 된다.
도6을 참고하면, 도면 부호 100은 일반적으로 인입 그릴(111)과 배출 루버(louver)(120)를 갖춘 케이싱(110)을 구비하는 팬 코일 유니트를 나타내는 것이다. 열 교환기(120)는 인입 그릴(111)과 대면하는 관계로 케이싱(110) 안에 위치되고, 하류측 면(121)을 구비하는 2개의 부분(102-1, 120-2)을 포함한다. 임펠러(131)는 축선(AR)을 중심으로 회전하도록 케이싱(110) 내에 위치되고, 케이싱(110)의 내부를 흡입 인입구(132)와 토출 배출구(133)로 구획하기 위한 와동 벽(134) 및 후방 벽(115)과 상호 작용하는데, 이 경우 유체는 임펠러를 통해서 연통된다. 본 발명의 베인(151)은 열 교환기(120)의 하류측 면(121)으로부터 외향으로 임펠러(131)를 향하여 연장된다. 베인(151)은 임펠러의 흡인 측의 영역에 위치되는데, 여기서 임펠러(131)의 블레이드는 인입 공기류 안으로 전진한다(도4의 영역(S)). 베인(151)은 임펠러(131)와 접촉하지 않는데, 베인(151)과 임펠러(131) 사이에는 오히려 간격(g)이 있다. 양호한 실시예에서, 간격(g)은 임펠러(131)의 외경 D0의 0.08 내지 0.15배의 범위 내에 있다. 도시된 바와 같이 베인(151)은 측방향 횡단면부에서는 곡형 또는 굽혀진 형태이다. 횡단면의 형상은 구조적 강성과 공기류를 모두 고려한 것으로서, 횡단면을 직선형으로 하게 되면 인입되는 공기류의 불규칙 진동을 방지하기 위해 충분한 강성을 제공할 수 있도록 하는 추가의 재료가 필요하게 된다. 베인(151)을 곡형으로 하거나 혹은 직선형과의 조합형으로 하게 되면, 베인은 인입되는 공기류를 임펠러(131)의 회전 방향과 동일한 방향으로 보낼 수 있도록 위치되어야 한다.
팬 코일 유니트(100)의 작동에 있어서, 임펠러(131)가 회전하게 되면 그릴(111)과 열 교환기(120)를 거쳐서 흡입 인입구(132) 안으로 공기가 빨려 들어온다. 공기는 하류측 면(121) 전체에 걸쳐서 열 교환기(120)로부터 빠져나가게 되므로, 공기는 하류측 면(121)의 다른 부분들을 통과하여 임펠러(131) 안으로 들어가게 될 때에 그 양이 변동되면서 방향을 바꾸게 된다. 공기는 임펠러(131)로부터 토출 배출구(133) 안을 지나 루버(112)를 경유하여 공기를 조절시킬 공간 안으로 들어간다. 임펠러(131)는 열 교환기(120)의 부분으로부터 거리를 변화시킴으로써 분리된다. 도4와 관련하여 설명한 바와 같이, 선(L1)을 따르는 임펠러(131)와 하류측 면(121) 사이의 최근접 근접부의 지점에서 시작하는 영역(S)은 진동 정체와 소음의 발생에 기여하는 회전의 방향으로 한정된다. 본 발명의 개시 내용에 따르는 베인(151)이 있게 되면, 진동 정체가 발생하는 기회는 감소된다. 그 이유는, 유동에 국부화 사전 회전 즉, 팬의 회전 방향과 동일한 회전이 부여되게 됨에 따라 영역(S)에서 블레이드 안으로 진입하는 유동의 입사각이 감소하기 때문이다.
베인(151)의 크기와 위치 결정은 진동 정체로 인한 소음을 줄이는 목적을 달성하는 데 있어 중요한 것이다. 도7 내지 도10은 그러한 목적에 포함된 원리를 예시하기 위해 마련된 것이다. 도7 내지 도10은 4가지 다른 횡류 팬 및 열교환기 조립체의 배치를 나타내는 것이다. 도7에서, 열 교환기(520)는 평면형 하류측 면(521)을 구비한다. 임펠러(531)는 하류측 면(521)과 이격되게 위치된다. 도8 및 도9에서, 열 교환기(620, 720)는 도6의 열 교환기(120)와 마찬가지로 절곡되어 있는데, 절곡부의 상대 위치와 임펠러(631, 731)의 위치 결정 각각은 상기 2개의 도면에서 서로 다르다. 도10에서, 열 교환기(820)도 절곡되고 2개의 부분(820-1, 820-2)으로 구성된다. 그러나 부분(820-2)은 절곡되어 있다. 절곡된 열 교환기는, 열 교환기가 설치되어 있는 포위부의 치수 범위 내에서 직선형으로 대면하는 열 교환기로는 열 교환기의 소정의 대면 영역을 얻을 수 없는 여러 가지의 적용례에서 일반적으로 찾아 볼 수 있는 것이다. 덕트가 없는 분리형 공기 조화 시스템의 실내 유니트는 일반적으로 일례로 절곡형 열 교환기를 구비한다. 당해 기술 분야의 기술자들이라면, 덕트가 없는 분리형 공기 조화 시스템이라 함은 조절된 공기를 공기 조절이 필요한 방 또는 공간으로 보내기 위한 배관을 하지 않는 중앙 내부 열 교환기를 구비하지 않고 다만 공기 조절이 필요한 각각의 방 또는 공간에 각각 위치된 내부 열 교환기를 하나 이상 구비하는 증기 압축 공기 조화 시스템이라는 것으로 이해할 것이다. 그러나 베인(551)의 크기 결정 및 위치 결정을 좌우하는 원리는 열 교환기의 형상 및 열 교환기에 대한 팬 임펠러의 위치 결정과는 관계없이 동일하다.
도6 내지 도11의 각 도면에서, 선 L1은 임펠러의 회전 축선(AR)을 지나 하류측 면(121, 521, 621, 721)과 수직하고 가장 가까운 지점(821)에 수직한다. 선 L2는 임펠러의 회전 축선(AR)을 지나 회전 축선(AR)으로부터의 임펠러의 외경 D0의 1.3배의 거리 또는 최대 간격의 지점에 있는 하류측 면(121, 520, 620, 821)과 수직한다. 선 L1과 선L2사이의 각도 α(도4, 도8 및 도11)는 진동 정체가 발생하는 경향이 있는 영역(S)을 한정한다. 도11을 다시 참고하면, 선 L1과 회전 축선(AR)은 선 L3의 면(521)과 교차하는 평면을 한정한다. 선 L2와 회전 축선(AR)은 선 L4의 면(20)과 교차하는 평면을 한정한다. 상기 도면에 도시되지 않았지만 쉽게 가시화 할 수 있는 바와 같이, 임펠러(531)는, 회전 축선(AR)에 평행하고 또한 임펠러(531) 상의 반경 방향 최외부의 지점을 통과하는 선을 회전시킴으로써 형성되는 원통의 표면으로서 한정될 수 있는 스위프면(sweep surface)을 갖는다.
진동 정체 소음을 줄이는 데 있어서의 최상의 효과를 위해서는, 베인(551)은, 하류측 면(521)과, 회전 축선(AR)과 선 L1에 의해 한정된 평면과, 회전 축선(AR)과 선 L2에 의해 한정된 평면과, 임펠러 스위프면에 의해서 한정되는, 포위부 내에 수용되도록 하는 크기로 하여 위치되어야 한다. 임펠러(531)와 베인(551) 사이의 간극은 앞에서 설명한 바와 같이 임펠러 외경의 0.08 내지 0.15배가 되어야 한다.
당해 기술 분야의 숙련자들은 본 발명의 개시 내용에 따라 제조 및 설치되는 베인은 블레이드 통과 주파수 소음원이 될 것으로 이해할 것이다. 이러한 것은 동일한 블레이드 상의 여러 가지 다른 지점들이 베인을 동시에 통과하지 않도록 베인을 위치시킴으로써 방지 또는 최소화된다. 도11의 베인(551)은 그와 같은 방식으로 위치된다. 도11은 또한 블레이드 통과 주파수 소음이 최소화 되도록 베인(551)을 임펠러(531)에 대해서 위치시키는 것도 도시하고 있다.
본 발명의 베인은 부차 BPF 소음 문제를 나타내고 있는 덕트가 없는 분리형 팬 코일에서 시험되었는데, 부차 BPF 소음을 5 내지 8 데시벨만큼 줄인 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명에 의하면, 진동하는 블레이드 정체가 방지되고, 저주파수 유동 진동이 효과적으로 감소 또는 제거된다.
이상에서 본 발명의 양호한 실시예에 대해 예시하고 설명하였지만, 당업자들은 본 발명을 그와 달리 변경할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 특허 청구의 범위에 의해서만 제한되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 열 교환기와 횡류 팬 사이의 유동 경로 내에 한정된 흡입측과 임펠러 블레이드를 갖는 임펠러(131, 531, 731)를 구비하고 이에 의해 임펠러 블레이드는 임펠러 블레이드가 상기 흡입측 안으로 전진함에 따라 상기 유동 경로 안으로 유동하는 공기 안으로 전진하게 되는 구성의 횡류 팬과, 하류측 면(121, 521, 621, 721, 821)을 구비하는 열 교환기를 직렬로 포함하는 유동 경로를 한정하는 횡류 팬과 열 교환기(120, 520, 620, 770, 870)의 조립체에 있어서,
    유동 안정기 베인(51, 151, 551, 651)이 상기 하류측 면으로부터 상기 흡입측의 영역 내의 임펠러를 향하여 연장되는 것을 특징으로 하는 횡류 팬과 열 교환기의 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임펠러가 외경 D0을 갖고, 상기 베인이 상기 임펠러의 외경의 8 내지 15%의 범위에서 연장되는 것을 특징으로 하는 횡류 팬과 열 교환기의 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 임펠러가 외경 D0과 회전 축선 AR을 가지고, 상기 조립체는 상기 하류측 면 상의 제1 위치와 상기 하류측 면 상의 제2 위치를 가지고, 상기 제1 위치는 상기 하류측 면과 제1 평면과의 교차점이고, 상기 제1 평면은, 상기 회전 축선을 지나며 상기 하류측 면에 수직한 선과 상기 회전 축선에 의해 한정되고, 상기 제2 위치는 상기 하류측 면과 제2 평면과의 교차점이고, 상기 제2 평면은, 상기 회전 축선을 지나고 또한 상기 외경의 약 80%의 간격이 제공되도록 상기 회전 축선으로부터 상기 외경의 약 130%의 거리에 있는 상기 하류측 면 상의 지점도 통과하는 선과 상기 회전 축선에 의해 한정되고, 상기 베인은 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에 있는 상기 하류측 면 상의 제3 위치를 따르면서부터 상기 하류측 면으로부터 연장되는 것을 특징으로 하는 횡류 팬과 열 교환기의 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 임펠러는, 상기 회전 축선에 평행하며 상기 임펠러 상의 반경 방향 최외부 점도 통과하는 선을 회전시킴으로써 형성되는 원통의 면인 스위프 면을 가지며, 상기 베인은 상기 하류측 면과 상기 제1 평면과 상기 제2 평면과 상기 스위프 면에 의해 한정되는 포위부 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 횡류 팬과 열 교환기의 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 베인은, 소정의 임펠러 블레이드의 날개 폭을 따르는 여러 가지 다른 지점이 상기 베인을 서로 다른 배수로 통과하도록 형성된 것을 특징으로 하는 횡류 팬과 열 교환기의 조립체.
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