KR20000012143A

KR20000012143A - 예비 스월러를 구비한 차량용 원심 송풍기 조립체

Info

Publication number: KR20000012143A
Application number: KR1019990036424A
Authority: KR
Inventors: 보트로스모니어비바위
Original assignee: 티. 제이. 드쥐르; 포드 모터 캄파니
Priority date: 1998-07-06
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2000-02-25
Also published as: DE69925071T2; EP0971131B1; EP0971131A2; DE69925071D1; EP0971131A3; US6092988A; EP0971131B8

Abstract

원심 송풍기가 개시된다. 송풍기 조립체는 전기 모터에 의해 구동되는 원심 팬을 포함한다. 송풍기 조립체 하우징은 공기가 원심 송풍기 조립체로 유입됨에 따라 공기인 공기 체적에 소정량의 회전을 가하는 복수의 가이드 베인들을 갖는 예비 스월러를 포함한다. 가이드 베인은 송풍기 하우징의 공기 입구의 링에 배치된다.

Description

예비 스월러를 구비한 차량용 원심 송풍기 조립체 {CENTRIFUGAL BLOWER ASSEMBLY WITH PRE-SWIRLER FOR AN AUTOMOTIVE VEHICLE}

본 발명은 일반적으로 차량용 원심 송풍기 조립체에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 원심 송풍기 조립체로 유입되는 공기의 체적을 회전시키기 위한 장치를 갖는 원심 송풍기 조립체에 관한 것이다.

원심 송풍기 및 팬은 하우징에서 소정의 방향으로 회전하고 전기 모터로 구동될 수도 있는 임펠러 또는 송풍기 휠을 일반적으로 포함한다. 임펠러는 축방향으로, 즉 임펠러의 회전축을 따라 공기를 흡입하고 공기를 외측 반경 방향으로 배출하는 곡면 블레이드를 갖는다. 이러한 송풍기는 냉난방 시스템과 같은 다양한 적용예에, 특히 차량에 이용된다.

원심 팬은 팬의 용량을 제어하기 위해 팬 케이싱을 통해 형성된 공기 통로의 개구를 감소시키는 공지된 셔터 장치에 결합된다. 이 셔터 장치는 팬의 동력 요구조건을 감소시킴과 동시에 충분한 공기 유동 조절을 하도록 폐쇄될 수 있다. 그러나, 이러한 형태의 셔터 장치에 의하면, 공기 유동 개구가 부분적으로 폐쇄될 때 팬의 맥동(pulsation)이 발생할 수 있다. 셔터가 완전히 개방된 경우에, 임펠러 블레이드에 부딪히는 유입 공기는 이 유입 공기가 임펠러 블레이드의 전방 에지와 접촉하는 각도로 인해 상당량의 경계층 유동 분리가 초래된다. 이러한 분리는 원심 송풍기의 효율을 감소시킬 뿐 아니라 소음, 진동, 미세 진동(harshness)을 증가시키는 결과를 가져온다.

또한, 공기가 송풍기 또는 팬 입구 개구에 축방향으로 접근함에 따라, 공기는 송풍기 팬 휠 또는 임펠러의 중간부 및 하부에 도달하려는 경향이 있어 휠의 중간부로부터 송풍기 하우징 스크롤(scroll)을 향해 외측 반경 방향으로 더 유동한다. 보다 적은 공기가 임펠러 상부로부터 송풍되므로 팬은 비효율적이다.

전술한 문제점을 극복하기 위해서, 미국 특허 제3,781,127호는 원심 송풍기 입구의 외부 벽 둘레의 베인을 피봇 지지하는 메커니즘과 다수의 스핀(spin) 유도식 입구 베인을 포함하는 원심 송풍기를 개시한다. 이러한 장치로, 송풍기로 유입되는 공기 용량 또는 양은 제어될 수 있으며, 유입 기체에 스핀이 가해질 수 있다. 선택적으로, 베인은 완전히 폐쇄될 수 있으며, 최대 스핀이 유입 기체에 전달되는 동안 송풍기로의 기체 유동을 제한한다. 미국 특허 제3,781,127호의 시스템은 송풍기 하우징의 외부 위치에 부착된다.

미국 특허 제3,781,127호에 개시된 조립체의 각각의 베인은 팬 송풍기로 유입되는 공기에 대한 개방량을 변경시키도록 피봇 회전할 수 있다. 그러나, 이 조립체는 제조 비용이 많이 들고 복잡하다. 더욱이, 이 조립체는 송풍기 하우징에 대한 각각의 블레이드의 선회량 또는 회전량을 제어하기 위한 메커니즘이 필요하여 원심 송풍기가 복잡해지고 비용이 많이 들게 된다. 또한, 가동 블레이드에 의해 가해지는 스핀량은 원심 송풍기의 각각의 블레이드들 주위의 경계층 유동 분리를 극복하거나 감소시키기에 충분하지 않다. 따라서, 원심 송풍기 임펠러의 각각의 블레이드들 주위의 유동 분리를 감소시키고, 유입 공기가 전체 팬/임펠러를 강제적으로 통과하게 하고, 팬 허브 상에 기체에 의해 가해지는 축방향 힘을 감소시키면서 송풍기 효율을 증가시키는 보다 염가의 간단한 장치를 제공하는 것이 효과적일 것이다.

종래 기술과 관련된 문제점들은 원심 송풍기 조립체를 제공하는 본 발명에 의해 극복될 것이다. 본 발명의 송풍기 조립체는 팬 링과 팬 허브 사이에 배치된 복수의 팬 블레이드들을 갖는 팬 휠과, 모터로부터 돌출되어 팬 허브와 결합되는 회전 샤프트를 가지며 회전 샤프트의 축과 일치하는 축에 대해 팬 휠을 회전시키는 모터를 포함한다. 이 조립체는 그 내부에 팬 휠과 모터를 수납하는 하우징을 또한 구비하고 있으며, 이 하우징은 공기 입구 측부와, 공기 입구 측부에 대향되는 모터 수용 측부와, 공기 입구 측부 및 모터 수용 측부 사이에서 연장하는 통상 곡면 벽을 구비하고, 그 결과 공기의 체적이 통과하는 챔버를 형성한다. 하우징의 공기 입구 측부는 소정의 축방향 길이를 가지며 팬 휠의 회전에 의해 공기가 흡입되는 입구 개구를 한정하는 일반적으로 원형인 입구 링을 포함한다. 공기 입구 측부는 입구 링으로부터 소정의 거리로 내측 반경 방향으로 배치된 일반적으로 원형인 내부 링과 팬 휠의 회전축과 일반적으로 평행한 내부 링과 입구 링 사이에 배치되는 복수의 고정된 가이드 베인을 포함한다. 복수의 가이드 베인은 입구 링의 축방향 길이 보다 아래로 축방향으로 연장하는 소정의 축방향 길이를 각각 가지며, 일정한 입구 각과 가이드 베인의 후방 에지(trailing edge)를 따라 변하는 가변 출구 각을 갖는다.

본 발명은, 성형될 수 있는 고정 장치가 원심 송풍기에 유입되는 공기 체적에 스핀을 전달할 수 있고, 공기가 블레이드를 거쳐 유동함에 따라 경계층 유동 분리를 감소 또는 제거할 뿐만 아니라 송풍기 휠의 상부로 유입되는 공기량을 증가시키는 방법으로 공기를 송풍기 휠 블레이드의 전체 축방향 길이에 부딪히게 할 수 있다는 장점을 제공한다. 이는 비용, 소음, 진동 및 미세 진동을 감소시키면서 원심 송풍기의 효율을 증가시킨다. 본 발명의 이러한 및 다른 장점들은 이하의 도면, 상세한 설명 및 톡허청구범위로부터 명백해진다.

도1은 본 발명의 원리에 의해 구성된 원심 송풍기/팬 조립체의 전개 사시도.

도2는 본 발명에 의한 장치가 없는 원심 송풍기 하우징에 대한 속도 벡터 다이어 그램.

도3은 본 발명의 원리에 의해 구성된 원심 송풍기에 대한 속도 벡터 다이어그램.

도4는 원심 송풍기 조립체로 유입되는 공기 체적을 회전시키기 위한 본 발명의 원리에 의해 구성된 공기 예비 스월러를 갖는 공기 입구 개구의 상부 평면도.

도5, 도6, 도6a, 도7, 도8 및 도9는 도4 및 도5의 선 5-5, 선 6-6, 선 7-7, 선 8-8 및 선 9-9를 따라 각각 취한 단면도.

도10은 예비 스월러를 구비한 송풍기 조립체와 예비 스월러를 구비하지 않은 송풍기 조립체의 휠 블레이드에 따른 송풍기 휠의 외부의 반경 방향 속도 성분의 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

12 : 팬 휠

14 : 팬 블레이드

20 : 하우징 측부

21 : 입구 링

22 : 모터 수용 측부

23 : 개구

30 : 예비 스월러

36 : 내부 링

40 : 가이드 베인

도면을 참조하면, 도1은 본 발명에 따른 원심 송풍기/팬 조립체를 도시한다. 원심 송풍기 조립체(10)는 팬 휠(12)의 입구 링(16)과 허브(17) 둘레에 배치된 복수의 팬 블레이드(14)들을 갖는 팬 휠(12)을 포함한다. 팬 휠(12)은 좌측 또는 입구 하우징 측부(20)와 그 반대에 배치된 우측 또는 모터 수용 측부(22)인 2개의 덮개 부품에 의해 형성되는 하우징(18) 내에 배치된다. 하우징(18)은 입구 측부(20)와 모터 측부(22) 사이에서 연장하는 통상 곡면 벽(24)을 더 포함한다. 입구 하우징 측부 또는 덮개(20)는 자동차의 플리넘(plenum) 내에 존재하는 다양한 가열 요소, 환기 요소 및 공조 요소로 통해 공기 체적을 제공하기 위해, 팬 휠(12)에 의해 공기 체적이 흡입되는 개구(23)를 형성하는 일반적으로 원형의 입구 링(21)을 포함한다. 입구 측부(20), 모터 측부(22) 및 벽(24)은 공기가 플리넘 내의 가열 요소, 환기 요소 및 공조 요소를 향해 또는 그 내부로 통과하는 공기 유동 통로 체적(26)과 출구 단부(28)를 형성하기 위해 상호 작용한다. 본 발명의 원심 송풍기 조립체(10)는 공기가 원심 송풍기 조립체(10)로 유입되기 전에 송풍기의 베인들 사이를 지나가는 공기 체적에 스핀 또는 회전을 가하기 위해 입구 개구(23) 내에 배치된 예비 스월러(30)를 더 포함한다. 이 예비 스월러(30)는 더욱 자세히 후술될 것이다. 원심 송풍기 조립체는 팬을 스핀시켜 공기 유동 통로(26) 주위의 하우징의 입구 개구(23)와 원심 송풍기 조립체의 출구 단부(28)를 통해 공기를 흡입하도록 원심 팬(12)과 결합된 샤프트를 갖는 모터(32)를 더 포함한다.

도2 및 도3은 본 발명의 예비 스월러(30)가 원심 송풍기 조립체(10)로 유입되는 기류에 작용하는 효과를 도시한다. 도2는 공기가 원심 팬으로 유입되기 전에 공기 체적에 회전 및 스핀을 전달하기 위한 예비 스월러 또는 다른 장치가 없는 통상적인 원심 송풍기의 속도 벡터 다이어그램이다. 도2는 조립체(10)의 송풍기 하우징(18)의 측면도를 도시하고 있다. 하우징(18)은 입구 구멍 또는 개구(23)를 포함한다. 다이어그램의 화살표는 공기 유동을 표시하고, 공기가 축방향으로 개구에 접근함에 따라 공기는 송풍기 팬의 중간부 및 하부에 도달하여 팬의 중간부 및 하부로부터 송풍기 하우징으로 외측 반경 방향으로 더 많이 유동한다. 팬 휠의 반경 방향 속도는 송풍기가 전달하는 공기 유동 속도의 주요 원인이 된다. 이러한 이유로, 소량의 공기가 송풍기 팬의 상부를 통해 유동하게 되고 그 송풍기는 비효율적이다. 공기의 상향 회전이 후방 측부(22)를 향하는 축방향 요소와 결합된 팬 휠의 중간부의 보다 긴 반경 방향 속도 요소에 의해 일어난다는 것이 화살표로 나타난다. 팬 휠의 축방향 길이에 가해지는 불균일 압력으로 인한 팬 허브의 불균일 마모와 같이, 바람직하지 않은 에너지 손실과 소음이 또한 발생된다.

대조적으로, 도3은 그 내부에 성형된 예비 스월러를 갖는 개구를 통과하여 송풍기 조립체로 유입되는 공기 체적에 대한 속도 벡터 다이어그램을 도시하고 있다. 공기가 예비 스월러(30)를 통해 유입되어 통과함에 따라, 예비 스월러의 베인은 공기를 회전시키고 공기에 팬 블레이드의 유입 에지에 대한 공기의 상대 운동을 보정하기 위해 양호한 접선 방향 속도 성분을 제공한다. 이는 팬 블레이드들의 흡입측으로부터의 분리를 줄이거나 제거한다. 보다 많은 공기는 이러한 방식으로 송풍기 휠의 상부로 향하고, 공기의 반경 방향 속도는 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이 예비 스월러 가이드 베인의 설계에 의해 팬 블레이드의 중간부 수준으로 증가된다. 상부에서 증가된 공기 속도는 하우징에서 공기 유동이 상향 회전하는 것을 방지한다. 이는 원심 팬(12)과 송풍기 조립체(10)의 전체적인 효율을 증가시키며, 동일한 양의 공기를 조립체(10)로 유동시키기 위해 팬을 구동하는 데에 필요한 요구 동력을 줄일 수 있다. 더욱이, 공기 유동 분리 영역이 팬 블레이드들의 흡입측에 형성되지 않기 때문에 소음, 진동 및 미세 진동은 상기 조립체 내에서 덜 발달될 것이다.

이제 도4를 참조하면, 본 발명의 예비 스월러(30)가 기술될 것이다. 예비 스월러(30)는 원심 송풍기 조립체의 입구 측부(20)의 유입 단부에 대해 회전하지 않는다는 점에서 고정식이다. 더욱이, 예비 스월러(30)의 블레이드들도 역시 움직이지 않으며, 또한 고정되어 있다. 예비 스월러를 고정식으로 제공함으로써, 이는 미국 특허 제 3,781,127호에 개시된 종래 기술의 장치에서 요구되던 가동 베인들을 이동시키는데 필요한 구성 요소와 이러한 베인들을 이동시키기 위한 방법이 본 발명의 원심 송풍기에서는 필요하지 않기 때문에 이러한 기구의 복잡성은 현저히 감소된다.

예비 스월러(30)는 송풍기 하우징(18)의 입구 측부(20)에 성형된 일반적으로 원형의 부재이다. 입구 측부(20)는 입구 구멍(23)을 한정하는 입구 링(21)을 포함한다. 예비 스월러(30)는 입구 링(21)으로부터 내측 반경 방향으로 연장한다. 예비 스월러는 입구 링의 직경보다 작은 직경을 갖는 내부 링(36)을 포함하며, 상기 내부 링과 동일 평면 상에 배치된다. 입구 링(21)과 내부 링(36)은 대략 동일한 크기의 축방향 길이를 각각 갖는다. 입구 링(21)과 내부 링(36)은 소정의 반경 방향 거리로 이격되어 있다. 이 거리는 송풍기 입구 영역의 함수로, 즉 πD²/4이며, D는 입구 링의 직경이다. 복수의 고정된 가이드 베인(40)은 내부 링(36)과 입구 링(21) 사이에 배치된다. 각각의 가이드 베인(40)은 대체로 팬 휠의 회전축과 일반적으로 평행하게 배치되고, 도5에서 도시되는 바와 같이 입구 링의 상부와 동일 평면 상에 배치된다. 가이드 베인은 도5 내지 도9에서 더욱 명확하게 도시된다.

각각의 가이드 베인(40)은 축방향에서 대략 5도 내지 10도 벌어진 일정한 입구 각(β)과 내부 링(36)으로부터 입구 링(21)으로 반경 방향으로 베인을 따라 변하는 가변 출구 각(α)을 갖는다. 이러한 출구 각은 공기가 하우징(18)으로 유입되기 직전에 가이드 베인을 벗어날 때의 각도이다. 각각의 가이드 베인(40)은 도6a에 도시된 바와 같이 출구 각의 크기가 내부 링(36)으로부터 입구 링(21)으로 반경 방향으로 점차 감소하도록 형성되어 있다. 도6a는 도6의 A-A, B-B 및 C-C에서 취한 하나의 가이드 베인의 3개의 다른 단면을 도시한다. 이러한 단면들에서의 출구 각의 차이는 출구 각이 점차 감소하고 있는 도6a에 도시되어 있다. 이러한 점차적인 감소는 공기의 속도가 팬 휠의 상부에서 고속이 되어, 전술한 바와 같이 하우징 내의 비효율적인 공기 회전을 방지하도록 베인들을 떠나는 공기의 반경 방향 속도 성분의 증가를 발생시킨다. 더욱이, 도6에서 더욱 명확하게 도시되는 바와 같이 각각의 가이드 베인은 축방향 길이를 갖는다. 이러한 길이는 가이드 베인(40)의 일부(42)가 입구 링 아래로 연장하도록 입구 링의 축방향 길이를 초과할 수 있다. 베인(40)의 일부(42)는 베인을 떠나는 공기를 팬 휠의 상부 부분으로 향하게 한다. 베인(40)의 일부 또는 돌출부(42)는 공기를 팬 블레이드를 따라 보다 먼 거리로 확산시키고 예비 스월러(30)의 유용성을 증가시킨다. 선택적으로는, 도7에 도시된 바와 같이, 가이드 베인(40)의 축방향 길이 또는 높이는 입구 링(21)의 높이와 같은 수준일 수 있다. 도8은 가이드 베인(40)이 입구 링(21)의 위ㆍ아래로 돌출하는 다른 실시예를 도시한다. 입구 링(21)의 위로 연장하는 베인은 연속되는 베인들 사이의 공기 체적을 포획하여 배향시킨다. 이는 원심 송풍기 팬 회전의 반대 방향으로 공기 회전을 일으키는 입구 덕트 구성을 갖는 조립체들에 있어서 매우 효과적이며, 이 경우에 예비 스월러는 공기가 팬에 유입되기 전에 공기 회전을 보정하여 이러한 회전 보정에 달리 요구될 수도 있는 팬 에너지를 절약한다.

예비 스월러(30)는 하우징 입구 측부 덮개(20) 조립시 일체로 제조된다. 본 발명의 예비 스월러는 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에틸렌 및 당업계에 공지된 다른 재료들과 같은 다양한 합성 중합체 재료들로 사출 성형될 수 있다. 사출 주형을 이형하기 위해서, 평면(46) 또는 곡면은 도9에 도시된 바와 같이 대략 3도의 드레프트(draft) 각으로 상향(또는 전방으로) 연장한다. 상기 평면(46)은 주형이 이형되도록 하고 주형의 조기 마모를 방지하기 위해 주형 내의 날카로운 강철 모서리들이 없게 한다.

도10은 예비 스월러가 없는 송풍기 조립체(점선)와 예비 스월러가 있는 송풍기 조립체(직선)를 비교한 도면이다. 그래프는 팬 휠 깊이(mm)에 대해 휠 블레이드들을 따른 휠 외부의 반경 방향 속도 성분(m/s)을 비교하고 있다. 대략 15mm의 휠 깊이까지 도시된 바에 의하면, 예비 스월러를 이용하는 조립체의 경우에 공기의 속도는 평균적으로 1.5% 내지 5% 더 크다.

본 발명의 다른 변경들 및 변환들이 당업계에 분명히 일어날 것이다. 예컨대, 블레이드들의 개수, 각각의 블레이드의 높이와 폭은 송풍 시스템에 대해 최적화된다. 높은 저항의 공조기(HVAC) 시스템은 보다 많은 개수의 베인들과 이 베인들 사이의 보다 근접한 거리들에 의해 추가 제어를 필요로 한다. 베인들의 최대 폭은 전술한 바와 같은 성형 차단(mold shut-off)에 충분한 거리를 허용해야 한다. 모든 등가물을 포함하는 후속의 청구 범위는 본 발명의 범위를 한정하는 것이다.

전술한 가이드 베인을 갖는 예비 스월러를 본 발명의 송풍기 조립체에 구비함으로써, 송풍기 조립체의 효율이 증대되고 작동 비용이 절감되며 소음 및 진동이 향상된다.

Claims

자동차용 원심 송풍기 조립체에 있어서,

팬 링과 팬 허브 사이에 배치된 복수의 팬 블레이드들을 갖는 원심 팬 휠과,

모터로부터 돌출되고 상기 팬 허브와 결합되는 회전 샤프트를 갖는 모터와,

그 내부에 상기 팬 휠과 모터를 수용하기 위한 하우징을 포함하며;

상기 모터는 상기 회전 샤프트의 축과 일치하는 축에 대해 상기 팬 휠을 회전시키도록 작동하며, 상기 하우징은 공기 입구 측부와, 공기 입구 측부의 대향되는 모터 수용 측부와, 공기 입구 측부 및 모터 수용 측부 사이에서 연장하는 통상 곡면 벽을 구비하여 공기 체적이 통과하는 챔버를 형성하며;

상기 하우징의 상기 공기 입구 측부는 소정의 축방향 길이를 갖고 상기 팬 휠의 회전에 의해 흡입되는 공기가 통과하는 입구 개구를 형성하는 일반적으로 원형의 입구 링과, 상기 입구 링으로부터 소정의 거리 만큼 내측 반경 방향으로 배치된 일반적으로 원형의 내부 링과, 상기 팬 휠의 회전축과 통상 평행하게 상기 내부 링과 상기 입구 링 사이에 배치되고 상기 입구 링의 축방향 길이의 아래로 축방향으로 연장하는 소정의 축방향 길이를 각각 가지고 일정한 입구 각과 가이드 베인의 후방 에지를 따라 변하는 가변 출구 각을 갖는 복수의 고정된 가이드 베인을 포함하는 것을

특징으로 하는 차량용 원심 송풍기 조립체.
제1항에 있어서, 각각의 가이드 베인들의 상기 출구 각은 상기 내부 링으로부터 상기 입구 링으로 반경 방향을 따라 크기가 감소하며, 이는 공기의 접선 방향 속도의 점차적인 증가를 발생시켜 보다 많은 공기를 팬 휠 베인의 상부로 이동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 원심 송풍기 조립체.
제1항에 있어서, 복수의 베인들은 상기 입구 개구 면적의 함수인 소정의 반경 방향 길이를 각각 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 원심 송풍기 조립체.
제1항에 있어서, 상기 하우징은 사출 성형 공정으로 합성 중합체 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 차량용 원심 송풍기 조립체.
회전축에 대해 회전가능한 원심 송풍기로 유입되는 공기 체적에 회전시키기 위한 장치에 있어서,

소정의 축방향 길이와 소정의 직경을 갖는 일반적으로 원형의 입구 링과,

상기 입구 링의 직경보다 작은 직경을 갖고 상기 입구 링과 동일 평면에서 입구 링으로부터 내측 반경 방향으로 배치되는 일반적으로 원형의 내부 링과,

상기 입구 링과 상기 내부 링 사이에 형성된 환형의 영역과,

상기 입구 링과 상기 내부 링 사이에 배치되고 상기 입구 링의 상기 축방향 길이의 아래로 축방향으로 연장하는 소정의 축방향 길이를 각각 가지며, 일정한 입구 각과 상기 가이드 베인의 후방 에지를 따라 변하는 가변 출구 각을 갖는 복수의 고정된 가이드 베인들을 포함하는

것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서, 각각의 가이드 베인의 상기 출구 각은 상기 내부 링으로부터 상기 입구 링으로의 접선 방향 속도를 점차적으로 증가시켜 팬 블레이드의 중간부를 통해 유동하는 유속과 동일한 소정의 유속으로 팬 블레이드의 상부에서 보다 많은 공기를 반경 방향으로 이동시키도록 상기 내부 링으로부터 상기 입구 링으로 반경 방향을 따라 크기가 감소하는 것을 특징으로 하는 장치.