KR20050092385A - 보강된 블레이드를 구비한 냉각팬 - Google Patents

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Abstract

테이퍼진 프로펠러 모양의 보강된 팬 블레이드(fan blade)를 구비한 큰 지름의 팬을 포함하는 회전 장치가 공개된다. 상기 팬 블레이드는 압출성형방법을 이용하여 형성될 수 있다. 각각의 팬 블레이드는 하향 연장된 플랜지(flange)를 구비한 보강된 트레일링 에지(trailing edge)를 포함할 수 있다. 본 발명의 보강된 트레일링 에지를 구비한 각각의 팬 블레이드를 형성시키는 이점은, 공기역학적 성능을 개선시키기 위해 상기 각 팬 블레이드의 트레일링 에지를 더 길게 제작 가능한 개선된 구조적 특성에 있다. 또한, 보강된 트레일링 에지는 트레일링 에지의 적어도 1개의 원위(遠位)단부에 굽은 플랜지 영역을 더함으로써 압출과정 동안에 발생하는 파손에 저항한다. 예를 들어, 트레일링 에지의 벤트부는 성형하는 동안 더욱 안정된 위치에 압출 물질이 확고하게 향할 수 있도록 한다. 또한, 벤트부는, 압출과정 동안 팬 블레이드의 트레일링 에지에 가해지는 압력의 부작용을 중화시키기 위해, 그 길이방향에 대하여 상대적으로 평행하거나 수직한 2차원상의 지지력 제공에 의한 추가된 강도를 제공한다.

Description

보강된 블레이드를 구비한 냉각팬 {COOLING FAN WITH REINFORCED BLADE}
본 발명은, 대형 건물의 회전 기구에 관한 것으로서, 특히, 대용량의 공기를 순환시키는데 사용되는 보강된 블레이드를 구비한 냉각팬에 관한 것이다.
큰 상점 및 공항시설 등의 대형건물에서 일하는 사람들은, 불편한 조건에서부터 위험한 조건에 이르기까지의 환경에서 일하는데 일상 노출되어 있다. 더운 날에는 내부기온이 인간이 정상적인 체온을 유지하기 힘들 정도로 도달한다. 더욱이, 용접 또는 내연기관의 작동 등 이러한 환경에서 발생하는 많은 활동은 공기오염을 일으키고 노출된 사람들에게 해로울 수 있다. 공기 오염물의 효과는 그 공간이 잘 통풍되지 않는 경우 더욱 증폭된다.
대형 건물에서의 공기 순환 또는 냉각의 문제점은, 통상의 공기 조절 방법에 의해서 해결되지 않을 수 있다. 천장과 벽을 통해 전달되는 높은 열전도율과 관련된 건물 내의 큰 부피의 공기는, 효과를 발휘할 수 있는 강력한 공기 조절 장치를 요구한다. 만약 그러한 장치가 사용된다면, 그 운전 단가는 상당할 것이다. 또한, 기존의 공기 조절은 냉방 효율을 높이기 위해 내부 공기를 계속 재순환 시킨다. 그러므로 기존의 공기 조절은 배출가스나 연기와 같은 공기 오염물을 신속하게 제거하고 오염된 공기를 외부의 신선한 공기로 대체하도록 보조하는 통풍 시스템에 전형적으로 사용되지 못했다. 예를 들면, 건축물 내에서 용접 및 내연기관을 작동시키는 경우 내부 공기는 대체되어야 하고 공기 오염물의 해로운 축적 때문에 재순환되어서는 아니 된다.
일반적으로, 크고 작은 지름의 팬들이, 일반적인 공조(空調)를 할 수 없을 경우, 어느 정도의 순환, 냉각 및 통풍을 제공해 줄 수 있었다. 공기의 순환을 위해 작은 지름의 팬을 이용할 때의 단점은 그로 인한 유동이 하류 측으로 너무 빨리 좁아지는 것이다. 또한, 다수의 이러한 장치를 동시에 사용함으로써 요구되는 많은 전력량은 그다지 비싸지 않은 냉각 시스템으로서의 장점을 희석시킨다.
더욱이, 큰 지름의 팬을 이용하는 경우의 단점은, 그러한 팬들이 전형적으로, 증가하는 블레이드의 길이 대 폭의 가로세로비(aspect ratio)가 증가하는 상당한 중력 토크에 의해 발생되는 큰 응력을 견디기 위하여, 특수하게 제작된 고강도 경량 블레이드를 요구한다는 것이다. 상기 팬의 회전 관성이 지름의 제곱에 비례한다는 사실은 높은 토크를 내는 기어 감소 메카니즘의 사용을 요구한다. 불행하게도, 종래의 구성요소들은, 초기구동 단계에서 전기 모터에 의해 생기는 대체로 큰 토크 때문에, 기계적 고장에 취약하였다. 그 결과, 큰 지름의 팬에 대한 신뢰를 떨어뜨렸다.
일부 큰 지름의 팬은 저속 메카니즘 및 공기 역학적 특징을 갖춘 대형 팬 블레이드를 구비해 왔다. 예를 들어, 미국특허번호 6,244,821에 의하면, 일반적으로 알려진 압출공정을 이용하여 성형된 큰지름과 그에 따른 대형 팬 블레이드를 구비한 저속 냉각팬이 개시된다. 불행하게도, 이러한 압출 블레이드는 트레일링 에지가 지지되지 않아, 상기 에지가 성형과 냉각동안 변형 또는 뒤틀림에서부터 찢어지거나 파열될 수 있다. 결과적으로, 제조과정 동안 더 길고 지지되지 않는 트레일링 에지에서 발생하는 파열 때문에, 공기 역학적 특징들이 감쇄된다. 그 결과, 대형 팬 블레이드의 전체적인 성능이 떨어진다. 그러므로 상기 짧아진 트레일링 에지는 대형 팬 블레이드의 공기 역학적 효능에 역효과를 주게 되고 그 결과, 잠재적으로 구조물 내에서 발생한 회전하는 공기 유동의 효율을 떨어뜨리게 된다.
상기한 바와 같이, 대형 건물에서 효과적인 냉각과 최적의 통풍을 제공하는 경제적인 회전 기구에 대한 필요성이 상존한다. 특히, 개선된 팬 블레이드와 상기 팬 블레이드의 구조적 강성을 증대시키고 향상된 공기 역학적 성능을 유지할 수 있는 팬 블레이드를 포함하는 회전기구 및 그 제조방법에 대한 필요성이 지금 존재하는 것이다.
도 1은, 대형 상업용 건물의 전청 근처에 위치할 수 있는 보강된 트레일링 에지를 각각 구비한 다수의 팬 블레이드를 구비한 팬 조립체의 일 실시예를 나타낸다.
도 2는, 도 1의 팬 조립체에 의해 발생된 공기유동 패턴의 일 실시예를 나타낸다.
도 3은, 도 1의 팬 조립체의 측단면도를 나타낸다.
도 4는, 도 1의 팬 조립체를 올려다보는 관찰자에 의해 보여지는 축방향 도면을 나타낸다.
도 5는, 보강된 트레일링 에지를 포함하는 팬 블레이드를 구비한 도 1의 독립적 팬 블레이드의 단면도를 나타낸다.
도 6은, 도 1의 팬 조립체에 의해 발생된 공기역학적 힘을 포함하는 도 5의 독립적 팬 블레이드의 단면도를 나타낸다.
도 7A는, 보강된 트레일링 에지를 구비한 압출 성형된 팬 블레이드를 성형하는데 사용되는, 압출에 기초한 다수의 제조요소의 일 실시예를 나타낸다.
도 7B는, 보강된 트레일링 에지를 구비한 팬 블레이드의 단면 윤곽과 모양이 유사한 패턴을 지닌 통로를 포함하는 압출 다이의 일 실시예를 나타낸다.
발명의 요약
상기한 필요성이 산업용 건물 내 공기의 순환을 위한 팬 조립체에 의해 개선될 수 있다. 일 실시예에 의하면, 팬 조립체는 산업용 건물의 천장에 팬 조립체의 마운팅(mounting)이 가능하도록 채용된 지지대와, 이 지지대에 결합되고 축의 회전을 유도하기 위해 회전축에 맞물리는 모터를 포함한다. 상기 팬 조립체는 회전축에 부착된 다수의 팬 블레이드를 더 포함할 수 있으며, 각 팬 블레이드는 리딩 정션(leading junction)과 트레일링 정션(trailing junction)을 형성하도록 두번째 곡벽(curved wall)에 첫번째 곡벽을 연결하기 위해서 압출된 금속으로 형성된다. 또한, 트레일링 정션은 트레일링 에지를 구비한 세번째 곡벽을 형성하도록 연장되는데, 각 블레이드는, 상기 트레일링 에지로부터 플랜지의 각변위가 상기 트레일링 에지를 보강하는 벤트영역(bent region)을 형성할 수 있도록, 상기 트레일링 에지로부터 연속적으로 멀리(distally) 연장된 플랜지를 더 포함한다. 한편으로는, 각 팬 블레이드는 상기 플랜지를 형성하도록 굽은 테이퍼진 트레일링 에지를 구비한 프로펠러 모양을 포함하고, 각 플랜지는 상기 세번째 곡벽의 하부 면으로부터 아래로 연장된다.
추가적으로, 상기 첫번째 곡벽은 중공의 내부 영역을 형성하도록 두번째 곡벽에 결합될 수 있고, 상기 첫번째 곡벽은 속이 채워진 내부 영역을 형성하도록 두번째 곡벽에 결합될 수 있다. 또한, 다수의 팬 블레이드는 허브(hub)에 부착되고, 상기 회전축에 연결된다. 일 실시예에 의하면, 다수의 팬 블레이드는 적어도 10개의 팬 블레이드를 포함한다. 여기서 다수의 팬 블레이드는, 본 발명의 관점으로부터 벗어나지 않는 한, 2개 또는 그 이상의 팬 블레이드를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다수의 팬 블레이드 각각은 압출 기법(extrusion technique)을 이용하여 제조될 수 있고, 상기 압출 금속에는 알루미늄이 포함될 수 있다.
더욱이, 각 팬 블레이드는 약 5인치와 8인치 사이의 가로세로비를 포함한다. 각 팬 블레이드는 약 0.75(3/4)인치와 1.50(3/2)인치 사이의 단면 높이를 포함한다. 각 팬 블레이드는 약 4피트와 14피트 사이의 길이를 포함한다. 상기 첫번째 및 두번째 곡면은 약 0.0625(1/16)인치와 0.1875(3/16)인치 사이의 두께를 포함한다. 상기 세번째 곡면은 상기 트레일링 정션에서 약 0.125(1/8)인치에서부터 상기 트레일링 에지에서 약 0.0625(1/16)인치 사이의 길이 전체에 걸쳐 두께가 감소하는 테이퍼진 모양을 포함한다. 상기 플랜지는 약 0.25(1/4)인치와 0.375(3/8)인치 사이의 길이를 포함한다.
다른 실시예에 의하면, 상기한 필요성은 또한 산업용 건물내에서 사용되는 팬 조립체를 위한 금속 팬 블레이드에 의해서 만족될 수 있다. 이러한 특정한 실시예에 의하면, 상기 팬 블레이드는 다수의 곡면을 구비한 압출된 단면 윤곽을 포함하고, 상기 트레일링 에지 방향으로부터 외부로 연장된 플랜지를 포함하는 트레일링 에지를 구비한 프로펠러 모양을 형성하기 위하여, 첫번째 곡벽은 두번째 곡벽과 결합된다. 상기 트레일링 에지의 상기 플랜지부는, 상기 트레일링 에지의 하부 면으로부터 하향 연장됨으로써, 상기 트레일링 에지의 하부 면으로부터 상기 플랜지부의 각변위가 보강된 영역을 형성한 결과, 상기 플랜지 된 트레일링 에지가 위험에 대항할 수 있도록 상기 트레일링 에지의 구조적 강성을 증가시킨다. 또한, 상기 플랜지는 상기 팬 블레이드를 구비한 상기 팬 조립체의 작동의 결과 공기유동부피를 증가시키게 된다.
또 다른 실시예에 의하면, 상기한 필요성은 또한 산업용 건물을 냉각시키기 위한 팬 조립체에 의해서 만족될 수 있다. 이러한 특정한 실시예에 의하면, 상기 팬 조립체는 상기 산업용 건물의 천장에 상기 팬 조립체를 부착시키는 회전 가능한 허브를 구비한 마운팅 조립체를 포함한다. 상기 팬 조립체는 상기 회전 허브에 고정된 다수의 팬 블레이드를 포함하고, 각각의 다수의 상기 팬 블레이드는 적어도 3피트 길이이며, 첫번째 프로펠러 구역과 테이퍼진 트레일링 에지를 구비하도록 압출된 금속으로 형성된다. 플랜지는, 상기 테이퍼진 트레일링 에지를 보강하고 상기 팬 블레이드가 회전하는 동안 증가된 하류 추진력을 제공하기 위하여, 상기 테이퍼진 에지의 말단에 견고하게 형성된다. 한편으로는, 상기 팬 블레이드는 압출 제조공정을 이용하여 형성되고, 상기 플랜지는 상기 테이퍼진 트레일링 에지가 형성되는 동안의 파손에 저항할 수 있도록 상기 압출 제조공정 동안에 상기 테이퍼진 트레일링 에지를 보강한다.
또 다른 실시예에 의하면, 상기한 필요성은 팬 블레이드를 형성하는 방법에 의해서 만족될 수 있다. 이러한 특정의 실시예에 의하면, 상기 방법은, 금속을 연화(softening)하고 상기 금속을 압출금형에 밀어넣어 냉각된 금속 팬 블레이드가 압출금형의 외부로 압출되도록 하는 과정을 포함함으로써, 절단면내 첫번째 프로펠러 구역과, 상기 첫번째 프로펠러 구역의 일단에 견고하게 부착된 테이퍼진 트레일링 에지와, 상기 테이퍼진 트레일링 에지의 찢어짐 또는 파열을 방지하기 위해 압출과정 동안 상기 테이퍼진 트레일링 에지의 보강을 위하여 상기 테이퍼진 트레일링 에지의 방향으로부터 외곽으로 연장 형성되는 보강 플랜지를 구비하게 된다. 한편으로는, 상기 금속을 연화하는 것이 알루미늄의 연화를 포함하고, 구리, 망간, 실리콘, 마그네슘 및 아연 중 적어도 1개를 구비한 알루미늄 합금을 연화하는 것을 더 포함한다.
추가적으로, 상기 방법은 중공의 내부를 구비한 상기 팬 블레이드를 제조하기 위하여 압출 다이(die)를 형성하는 것을 더 포함한다. 상기 금속을 상기 압출다이에 압입하는 과정은 상기 압출다이를 통해 상기 연화된 금속을 강제로 밀어넣어주는 압출 프레스(press)를 사용하여 상기 연화된 금속에 압력을 적용하는 것을 포함한다. 또한, 상기 결합된 팬 블레이드는 다수의 독립적인 팬 블레이드를 형성하기 위하여 나누어질 수 있다.
또 다른 관점에서 보면, 상기 압출 금형에 상기 금속을 강제로 압입하는 것은 균일한 단면을 지닌 적어도 하나의 팬 블레이드를 생산할 수 있다. 더욱이, 상기 압출금형에 상기 금속을 압입하는 것은 상기 프로펠러 구역을 형성하도록 합쳐지는 첫번째 및 두번째 표면을 구비하는 적어도 하나의 팬 블레이드를 생산한다. 이로써 적어도 하나의 팬 블레이드에 의해 생성되는 상기 공기 유동의 원주방향 특성을 향상시킨다. 더욱이, 상기 금속을 상기 압출금형에 압입하는 과정은 상기 보강된 플랜지 및 상기 테이퍼진 트레일링 에지의 적어도 하나를 포함하는 연장된 첫번째 표면을 구비하는 적어도 하나의 상기의 팬 블레이드를 생산한다. 그 결과 개선된 프로펠러 디자인이 생산된다. 본 발명의 여러 가지 목적 및 장점은 수반하는 도면을 참고한 다음의 설명으로부터 더욱 명확해 질 것이다.
도면에는 참조번호가 주어지며 앞으로 계속 동일한 번호는 동일한 부분을 참조하게 된다. 도 1은, 대형의 상업 및/또는 산업용 건물(106)의 천장(110) 근처에 위치한, 보강된 트레일링 에지(514)를 각각 구비한 다수의 팬 블레이드(316)를 구비한 팬 조립체(100)의 일 실시예를 나타낸다. 아래에 훨씬 자세히 서술되겠지만, 압출 과정은 상기 보강된 트레일링 에지(514)를 구비한 각 팬 블레이드(316)를 성형하는데 사용될 수 있다. 발명의 일측면으로서, 압출과정 동안 상기 팬 블레이드(316)로의 트레일링 에지 파열의 가능성이 후상술되는 방법에 의해서, 상기 보강된 트레일링 에지(514)의 지지구조 덕분에 감소될 수 있다.
상기 팬 조립체(100)는, 어느 적절한 기존에 존재하는 지지 구조 또는 상기 팬 조립체(100)의 회전축이 대체로 수직인 방향을 따라 놓이도록 상공에 매달린 형태로 기존의 지지구조에 연결된 소정의 적절한 연장부재에 부착될 수 있다. 상기 보강된 트레일링 에지(114)의 범위와 기능을 포함한 상기 팬 조립체(100)의 구조적 요소들은 도 3 내지 도 6을 참조하여 아래에 더욱 자세히 서술될 것이라는 사실이 이해되어야 한다.
본 발명의 한 특징으로, 상기 조립체(100)는 미국특허번호 6,244,821에 기재된 바와 같이, 저속 팬 조립체를 포함할 수 있는데, 이 미국특허는 본 인용에 의해 본 발명의 일체로서 합체된다. 도 1은 연장 부재(101)에 부착된 상기 팬 조립체(100)를 자세히 나타낸다. 상기 팬 조립체는 종래기술로 알려진 바와 같이, 너트, 볼트 및/또는 용접과 같이 종래의 접합기구를 이용하여 상기 천장(110)에 위치한 장착위치(104)에 부착될 수 있다. 컨트롤박스(control box, 102)는 상기 팬 조립체(100)에 표준 동력 전송선(傳送線)을 통하여 연결됨으로써 아래에 더욱 자세히 기재할 소정의 방법으로 상기 팬 조립체(100)에 전력을 공급한다.
각 팬 블레이드(316)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 내부가 중공인 알루미늄으로 된 길고 좁은 모양을 지닌다. 이 특정한 실시예에 의하면, 상기 팬 블레이드(316)는 도 7A, 7B를 참조하여 아래에 더욱 자세히 서술될 소정의 방법의 강제 알루미늄 압출 기법을 이용하여 제조될 수 있다. 장점으로서 이러한 방법에 의해 저렴한 수단으로 제조되고 상당한 구조적 견고함을 지니면서도 가벼운 팬 블레이드(316)가 가능해진다. 또한, 이러한 방법에 의해 플랜지 트레일링 에지 및 프로펠러 형상과 같은 공기 역학적 특징을 지니도록 저비용으로 제조되는 상기 팬 블레이드(316)가 가능해진다. 또한, 각 팬 블레이드(316)는 그 길이방향을 따라 균일한 단면을 구비하도록 제조될 수 있다. 그러나 다른 실시 예들이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 비균일단면을 갖는 압출 알루미늄 팬 블레이드에도 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
더욱이, 상기 팬 블레이드(316)의 공기역학적 품질이 상기 팬 블레이드(316)에 테이퍼진 트레일링 에지(514)를 형성함으로써 개선될 수 있다. 그 결과, 도 5 및 도 6을 참조하여 더욱 상세히 서술되는 바와 같이, 상기 팬 조립체(100)로부터 더욱 균일한 공기 유동이 만들어질 수 있다. 또한, 표준의 접합기구(fasteners)를 이용하여, 캡(cap)이 상기 팬 블레이드(316)의 원위(遠位)단부에 고정됨으로써 끝단 개구를 덮어 연속적인 외부면을 제공한다. 일 실시예에 의하면, 상기 캡은 상기 팬 블레이드(316)의 단면 영역과 기본적으로 부합하는 최소한도의 구조를 포함할 수 있다.
도 2는, 도 1의 상기 팬 조립체(100)에 의해 생성된 공기유동패턴(200)의 일 실시예를 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 사용자가 상기 컨트롤박스(102)에 적절한 입력을 가함으로써 상기 팬 조립체(100)를 동작모드에 놓으면, 일 실시예에서는 부드럽고 및/또는 균일한 공기 유동패턴이 건물 내부(106)를 통하여 발생될 수 있다. 일 실시예에 의하면, 상기 순환 공기 유동(200)은, 큰 관성질량 덕분에, 또한 본 출원인에게 허여된 미국특허번호 6,244,821에 기술된 소정의 방법으로, 상기 팬 조립체(100)로부터 나오기 때문에 광대한 개방된 공간을 통해서 유동할 수 있는 크고 느리게 움직이는 하향 공기 유동(202)을 포함한다.
본 발명의 일 측면으로서, 상기 공기 유동(202)은 처음에 팬 조립체(100) 밑에 위치한 바닥영역(212)을 향해서 기둥모양으로 흘러내린다. 상기 공기 유동(202)이 바닥영역(212)으로 근접함에 따라, 공기 유동(202)은 결과적으로 바닥영역(212)에 의해 나누어져 하부 수평 유동(204)과 같이 반경 방향으로 외부로 퍼져나간다. 그 다음에 하부 수평 유동(204)은 건물벽(214)에 의해 상향 공기 유동(206)으로 향하게 되며, 이 유동은 건물 천장(110)에 의해 상부에서 내부로 이동하는 수평유동(210)으로 더욱 향하게 된다. 팬 조립체(100) 위의 소정의 영역(216)에 도착하자마자, 공기 유동(210)중 되돌아온 공기는 상기 팬 조립체(100)의 작용에 의해 다시 아래로 향하게 되고, 상기의 싸이클을 반복하게 된다. 유익하게도 상기 팬 조립체(100)에 의해 생성된 순환 공기 유동(200)은 상기 건물 내부(106)에서 사람들이 일하는데 상쾌한 작업 환경을 제공한다.
도 3은, 도 1, 2의 상기 팬 조립체(100)의 세부적인 측 단면도를 나타낸다. 상기 팬 조립체(100)는 지지 프레임(302)에 의해 기계적 지지를 받는다. 상기 지지 프레임(302)은 천장 근처의 적절한 수평 지지 구조에 부착되도록 적용되는 상부 강철 수평판(322)을 포함한다. 그 결과, 상기 지지 구조와 상기 금속판(322)의 첫번째 면(366)사이가 맞닿음으로써 상기 팬 조립체(100)가 상기 천장 부근에 고정될 수 있다. 일 실시예에 의하면, 상기 금속판(322)은, 상기 팬 조립체(100)가 도 1에 나타난 방법과 유사한 방법으로 상기 건물의 상기 천장으로부터 하향으로 연장되도록 하기 위하여, 천장 지지 대들보(girder)에 볼트체결된다.
상기 팬 조립체는 전기모터(304)를 더 포함할 수 있다. 상기 전기 모터(304)는 상기 전기모터(304)가 다양한 회전 속도를 낼 수 있는 변동 주파수를 갖는 교류 전원을 받을 수 있도록 적용된다. 일 실시예에 의하면, 상기 전기 모터(304)는 미국의 Baldor Motor사(社)가 제조한 인버터 가능한 전기 모터를 포함한다. 또한, 상기 전기 모터(304)는, 상기 대형 팬 조립체(100)를 구동하는데 필요한 공학적 장점을 제공하는 독일의 Lenze사(社)가 제조한 내장 기어 감속 드라이브 또는 메카니즘을 포함한다. 상기 전기모터(304)의 최대 전력 소비율은 대략 370와트라는 것이 이해되어야 한다.
상기 전기모터(304)는, 그 모터(304)의 회전축이 수직 방향으로 배치됨으로써 구동 토크(torque)를 지닌 상기 팬 조립체(100)를 제공할 수 있는 방식으로 상기 지지 프레임(302)에 고정된다. 상기 모터축(306)은 상기 전기모터(304)로부터 그 축(306)에 고정된 허브(312)에 토크를 전달한다. 상기 허브(312)는 다수의 팬 블레이드(316)를 보호하도록 적용된 평판 모양의 단일주조 알루미늄편을 포함한다. 다수의 블레이드 지지부재(314)는, 림(rim) 단면(346)으로부터 연장되어, 상기 모터축(306)에 의해 정의되는 회전축으로부터 반경 방향 외부로 약 15인치 거리로 연장되어 형성된다. 상기 지지 블레이드(314)는 노(paddle)모양이고 상기 허브(312)에 상기 팬 블레이드(316)를 고정하기 위한 수단을 제공하는 다수의 팬 블레이드(316)의 말단에 끼워지도록 적용된다. 상기 팬 블레이드(316)의 고정 과정을 포함하는 상기 팬 조립체(100)의 공학적 특징에 대한 더욱 상세한 설명은 미국특허번호 6,244,821에 서술되어 있다.
도 4는, 아래에서 본 상기 팬 조립체(100)의 모습이고, 상기 허브(312), 상기 허브(312)로부터 연장된 일체의 블레이드 지지부재(314) 및 상기 블레이드 지지부재(314)로부터 연장된 팬 블레이드(316) 세트 사이의 관계를 나타낸다. 각 팬 블레이드(316)는 다수의 상기 팬 블레이드를 균일하게 분배시킬 수 있는 방식으로 상기 모터축(306)에 의해 정의되는 상기 팬 조립체(100)의 회전축으로부터 수직으로 연장된다. 일 실시예에 의하면, 상기 팬 블레이드(100)의 지름은 8피트에서 40피트의 범위의 지름을 갖도록 제조될 수 있다. 그 결과, 각 팬 블레이드(316)의 가로세로비(aspect ratio)는 8:1에서 40:1 사이의 범위를 갖게 된다. 상기 팬 조립체(100)가 보통 조건하에서 작동되는 경우, 최대 블레이드 팁(Tip) 속도는 상기 팬 조립체(100)의 지름에 따라 약 1초당 25피트에서 약 1초당 75피트의 범위를 갖는다. 추가로, 상기 팬 블레이드(316)는 동작하는 동안 상기 팬 조립체(100)에 의해 분배되는 기둥모양(columnar) 공기 유동의 부피를 증가시킴으로써 성능과 효율을 개선할 수 있는 소정의 각도로 상기 허브(312)에 고정될 수 있다.
도 5는, 도 1을 참조한 상기 팬 블레이드(316)의 말단부를 바라보는 관찰자에 의해서 보인, 그 길이방향의 임의의 위치에서의 상기 팬 블레이드(316)의 단면도를 나타낸다. 상기 팬 블레이드(316)는 첫번째 곡벽(524), 두번째 곡벽(526), 및 그 내부에 형성된 중공의 내부 영역(522)을 포함한다. 상기 두 벽(524, 526)은 리딩 정션(531) 및 트레일링 정션(532)에서 서로 만난다. 상기 트레일링 정션(532)에서 상기 두 벽(524, 526)은 연속적으로 합쳐져 세번째 벽(530)을 형성한다. 상기 세번째 벽(530)은 상기 보강된 트레일링 에지(514)에 도달될 때까지 계속된다. 상기 세번째 벽은 길이방향을 전체에 걸쳐 두께를 감소시키기 위해 경사지게 할 수 있다. 추가로, 첫번째 면(506)은 벽(524)의 외부에 형성되고, 상기 보강된 트레일링 에지(514)에 도달될 때까지 벽(530)의 외부에 빈틈없이 연속되어 형성된다. 두번째 면(510)은 벽(526)의 외부에 형성되고, 상기 보강된 트레일링 에지(514)에 도달될 때까지 벽(530)의 외부에 빈틈없이 연속되어 형성된다.
추가로, 상기 두면(506, 510)은 리딩 에지(leading edge, 512)에서 만난다. 공동(空洞)영역이라고도 하는 상기 중공 내부 영역(522)은, 넓은 직사각형상 중앙 구역(500)을 포함한다. 평평한 세번째 면(516)은 상기 구역(500)의 영역 내 상기 벽(524)의 내부에 형성되고, 평평한 네번째 면(520)은 상기 구역(500)의 영역내 상기 벽(530)의 내부에 형성된다. 한편, 상기 평평한 내부면(516, 520)은 대체로 서로 평행하다. 상기 보강된 트레일링 에지(514)를 포함하는 상기 팬 블레이드(316)의 단면의 치수는 도 7B를 참조하여 아래 더욱 상세히 서술될 것이라는 것이 이해되어야 한다.
또한, 상기 보강된 트레일링 에지(514)는, 굽은 영역(536)에 의해 지지되는 하향 연장된 플랜지(538)를 포함한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 보강된 트레일링 에지(514)는 상기 트레일링 정션(532)으로부터 상기 첫번째 곡벽(524)의 곡률을 따라가기 위한 방식으로 연장된다. 상기 보강된 트레일링 에지(514)의 말단부는 상기 굽은 영역(536) 및 상기 하향 연장된 플랜지(538)를 형성하기 위한 방식으로 아래로 굽어지도록 형성된다. 상기 플랜지(538)는 상기 보강된 트레일링 에지(514)로부터 상기 굽은 영역(536)을 경유하여 일단부 측으로 연장되고, 상기 보강된 트레일링 에지(514)를 구비한 첫번째 각(540)을 형성한다. 상기 팬 블레이드(316)의 특정한 용도와 동작에 따라 상기 플랜지(538)의 길이와 상기 첫번째 각도(540)의 각변위는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 그 크기가 달라질 수 있다.
상기 플랜지(538)의 길이는 0.125(1/8)와 0.375(3/8)인치 사이를 포함하고, 상기 첫번째 각도의 각변위는 80 과 100도 사이를 포함한다. 바람직한 실시예에 의하면, 상기 플랜지(538)는 길이가 약 0.25(1/4)인치를 포함하고 첫번째 각도(540)는 약 90도의 각변위를 포함한다. 추가로, 상기 보강된 트레일링 에지를 포함하는 상기 팬 블레이드(316)는 압출된 알루미늄을 포함한다. 그러나 상기 팬 블레이드(316)는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 일반적으로 알려진 다양한 압출 물질을 포함한다.
한편으로, 상기 벤트 영역(536)의 구조적 굴곡부(bend)는, 그 구조 굴곡부가 길이에 대하여 상대적으로 평행 및 수직한 2차원상의 지지력을 제공함으로써 강도(rigidity)를 개선 시킬 수 있는 방식으로 상기 보강된 트레일링 에지(514)의 원위(遠位)단부의 강도를 증대시킨다. 본 출원인의 관찰결과에 따르면, 상기 팬 블레이드(316)의 압출과정에서 상기 벤트 영역(536) 또는 상기 플랜지(538)를 구비하지 않은 상기 트레일링 에지는 상기 트레일링 에지의 구조적 견고함에 역효과를 미치는 방식으로 뒤틀리고, 찢어지거나 변형될 수 있다. 예를 들어, 지지되지 않는 트레일링 에지의 찢어짐은 압출과정 동안 재질이 압출 다이를 통해서 강제 압출되는 결과 압력이 지지되지 않는 영역을 파열시키기 쉽다. 제조과정 동안에 상기 압출 재질이 상기 압출 다이를 떠남에 따라, 압력 편차가 상기 2개의 외부 표면(506, 510)의 대형 벌크(bulk) 재질이 상기 트레일링 에지의 더 작은 벌크 재질을 향해 큰 이동 압력을 발생시키는 장소인 상기 트레일링 정션(532)에서 발생한다. 상기 2개의 외부 표면(506, 510)은 상기 트레일링 정션(532)에서 서로 지지해주기 때문에, 상기 지지되지 않는 트레일링 에지는 상기 트레일링 에지(514)의 길이가 길게 만들어질수록 파열에 더욱 취약하게 된다. 바람직하지 않게도, 짧은 트레일링 에지는 상기 팬 블레이드(316)의 공기역학적 성능을 저하시킨다.
반대로, 본 발명의 보강된 트레일링 에지(514)를 구비한 상기 팬 블레이드(316)를 형성하는 장점은, 그 구조적 특성을 개선함으로써 상기 보강된 트레일링 에지(514)가 더 길게 제조가능하여 상기 팬 블레이드(316)의 공기 역학적 성능을 개선시킬 수 있다. 한편, 상기 보강된 트레일링 에지(514)는 상기 벤트 플랜지 영역(536, 538)을 상기 트레일링 에지(514)의 원위(遠位)단부에 부가함으로써 압출과정 동안 발생할 수 있는 손상 및/또는 찢어짐에 저항한다. 예를 들어, 상기 보강된 트레일링 에지(514)의 상기 벤트부(536)는 형성되는 동안 더욱 안정된 위치에서 상기 압출된 재질로 확실하게 향하게 할 수 있다. 더욱이, 상기 벤트부(238)는 그 길이에 상대적으로 수평 및 수직한 2차원상의 지지력을 제공하여 부가되는 강도를 제공함으로써, 상기 팬 블레이드(316)의 상기 트레일링 에지에 가해지는 압력의 역효과를 중화시킨다. 상기 하향 연장된 플랜지(514)와 관련된 추가적인 이점은 아래에 더 자세히 서술될 것이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 상기 2개의 외부 표면(506, 510)은 프로펠러 형상의 윤곽(contour)을 형성하도록 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 프로펠러 형상은 참조번호 FX 62-K-131을 구비한 독일 해양 비행기 날개(German Sail Plane Wing)의 형상에 기초할 수 있다. 한편, 상기 팬 블레이드(316)는 약 3피트 와 15피트 사이의 길이를 포함할 수 있고 첫번째 프로펠러 구역(502) 및 테이퍼진 트레일링 에지(514)를 구비하도록 압출된 금속으로 형성될 수 있으며, 상기 플랜지(538)는 상기 테이퍼진 트레일링 에지(514)를 보강하고 상기 팬 블레이드(316)의 회전시에 증가된 하향 추진력을 제공할 수 있도록 상기 테이퍼진 트레일링 에지(514)의 일단에 견고하게 형성될 수 있다. 상기 팬 조립체(100)가 운전모드인 경우, 시계방향으로 대응하는 받음각(angle of attack)만큼 기울어진 상기 팬 블레이드(316)의 단면 이미지는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 앞쪽에서 상기 리딩에지(512)와 함께 이동하는 것처럼 보인다.
개별 팬 블레이드(316)에 고정된 관찰자에 따르면, 상기 팬 블레이드(316)의 동작은 상기 팬 블레이드(316) 각각의 상기 표면(506, 510)을 따라 공기 흐름(600, 602)을 발생시킨다. 상기 프로펠러 형상의 각 팬 블레이드(316)는 하부 공기 흐름(536)의 속도보다 더 큰 상부 공기 흐름(534)의 속도를 유발시킨다. 그 결과, 상기 하부면(510)에서의 공기 압력은 상기 상부면(506)의 공기압력보다 커진다. 상기 팬 블레이드(316)의 회전에 의해 생성되는 분명한 비대칭 공기 유동은 상향의 양력 Flift를 각 팬 블레이드(316)에 발생하도록 한다. 이에 반응하는 하향의 힘 Fvertical은 그리하여 각 팬 블레이드(316)에 의해 주위 공기에 적용된다. 더욱이, 상기 팬 블레이드(316)의 프로펠러 형상은, 각 팬 블레이드(316)에 작용하고 그 결과, 각 팬 블레이드(316)에 의해 상기 주위 공기에 적용되는 감소된 수평력 Fhorizontal 를 초래하는 수평 항력 F를 감소시킨다. 그러므로 상기 팬 조립체(100)에 의해 발생된 상기 공기 유동은 상기 팬 조립체(100)의 회전축을 따라 공기의 대략 기둥모양의 흐름을 포함한다.
도 6에 잘 나타낸 바와 같이, 하향 연장된 상기 플랜지(538)는, 상기 팬 블레이드(316)의 성능을 향상시킨다. 상기 팬 블레이드(316)가 회전하는 동안, 상기 플랜지(538)는 상기 보강된 트레일링 에지(514)의 하류 부근에 대향하는 2개의 회전 소용돌이(vortices, 650, 652)를 만든다. 상부 소용돌이(650)는 상기 팬 블레이드(316) 위로 흐르는 상부 공기 흐름(600)에 의해 생성되고, 하부 소용돌이(652)는 상기 팬 블레이드(316)의 아래로 흐르는 하부 공기 흐름(602)에 의해 생성된다. 한편, 상기 상부 소용돌이(650)는 상기 팬 블레이드(316)의 위에 낮은 압력을 유지시키는 부정규형 펌핑작용(pseudo pumping action)을 일으켜, 추가적인 하향 힘 Fvertical을 효과적으로 만들어 낸다. 더욱이, 상기 대향 회전 소용돌이(650, 652)가 상기 팬 블레이드(316)가 추가적인 하향의 힘 Fvertical을 만들어 낼 수 있는 방식으로, 상기 트레일링 에지(514)의 길이를 눈에 띄도록 연장한다. 상기 수평 항력 F가 조금만 증가해도 상기 하향의 힘 Fvertical을 증가시키는 장점은 상당하다.
더 이로운 점은, 상기 팬 조립체(100)를 설계하는 것에 포함되는 기술적 어려움이 혁신적인 디자인 특성을 결합시킴으로써 극복되어 왔다. 특히, 상기 대형 팬 블레이드(316)는 알루미늄 압출 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 이 방법에 의하면, 튼튼하고 가벼우면서도 제조하는데 상대적으로 비용이 적게 드는 팬 블레이드(316)가 가능하다. 상기 압출 방법은 상기 팬 블레이드(316)를 프로펠러 형상으로 제조하는 것이 가능하여 기둥모양의 공기 유동을 생성시키는 것이 가능해진다.
도 7A는 보강된 트레일링 에지(514)를 구비한 압출 팬 블레이드(316)를 형성하는데 사용되는 압출 다이(708)를 포함하는 다수의 압출 제조 구성품의 일 실시예(700)를 나타낸 것이다. 상기 압출 과정에 사용되는 물질은 압출 빌릿(billet, 702)을 포함하고, 상기 압출 빌릿(702)은 실린더 형태의 내부가 채워진 또는 중공의 재료로 형성된다. 한편, 상기 압출 빌릿(702)은 주조품, 단조품 또는 길이가 긴 재료로부터 절단할 수 있는 분말성형제품(powder compact product)과 같이 일반적으로 알려진 형태의 알루미늄 합금을 포함한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 합금 물질은 1개 또는 그 이상의 금속 요소들을 포함할 수 있다는 사실이 이해되어야 한다. 예를 들어, 알루미늄에 기초한 압출 합금은 구리, 망간, 실리콘, 마그네슘 또는 아연과 같은 금속 요소의 소량을 포함할 수 있다. 장점으로는, 이러한 합금 요소들은 알루미늄 본래의 성질을 향상시키고 상기 압출 과정에 영향을 준다.
상기 빌릿(702)은 최종 프로파일(finished profile)의 원하는 길이, 압출비, 런아웃(run-out)의 길이 및 압출프레스의 요구사항을 포함하는 많은 예정된 파라미터(parameter)에 따라 그 길이가 변화될 수 있다. 한편, 상기 압출 빌릿(702)의 길이는 약 36인치에서 약 40인치 사이의 범위를 포함한다. 추가로, 상기 압출 빌릿(702)의 외부 지름은 약 7인치에서 약 8인치 사이의 범위를 포함한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상기 압출 빌릿(702)의 상기 외부 지름은 14인치 정도의 크기로 가능하다는 것이 이해되어야 한다.
다음의 압출 제조 요소는, 상기 압출 빌릿(702)을 예열하는데 사용되는 가열로(heating furnace, 704)를 포함한다. 상기 압출 과정동안 상기 빌릿(702)은 연화 및/또는 더욱 유연해지도록 상기 가열로(704) 내에서 연화된다. 알루미늄의 연화점은 금속의 순도에 따라 변화하지만, 대략 화씨 1220°(섭씨 660°)이다. 일 실시예에 의하면, 상기 압출 과정은 상기 빌릿(702)이 700℉(375℃)를 초과하는 온도로 가열될 것을 요구하고 압출될 합금에 따라서 930℉(500℃)까지 높아질 수 있다.
다음의 제조 요소는 압출 다이(708)를 구비한 압출 프레스(706)를 포함한다. 도 7B는, 상기 보강된 트레일링 에지(514)를 구비한 상기 팬 블레이드(316)와 모양이 유사한 패턴을 포함하는 압출 다이의 일 실시예(708)를 나타낸다. 상기 압출 다이(708)는 상기 팬 블레이드(316)의 최종 압출 프로파일의 의도했던 단면에 대체로 맞도록 크기과 모양이 형성되는 개구를 구비한 강철 원판을 포함한다. 상기 개구 또는 오리피스는 상기 연화된 빌릿(702)이 상기 전단부에서 후단부까지 통과할 수 있도록 상기 압출 다이(708)를 통하여 완벽하게 연통된다. 공지기술로 알려진 바와 같이, 다이는 고체 형상을 생산하는 솔리드(또는 평면)다이 및 도 5, 6에 나타낸 바와 같이 상기 팬 블레이드(316)와 같은 중공 또는 반(semi)-중공 모양을 생산하는 중공 다이로 나누어진다.
솔리드(solid), 반-중공, 및/또는 중공 모양의 조합은, 솔리드 다이가 1개 또는 그 이상의 오리피스 또는 개구를 구비하여 이를 통해 상기 연화된 합금이 강압(압출)될 수 있는 단일 다이로 통합될 수 있다. 도 7B에 나타낸 바와 같이, 상기 압출 다이(708)는 고정 또는 부동(浮動) 심봉(mandrel, 720)에 의해 중공 프로파일을 생산한다. 장점으로는, 상기 팬 블레이드(316)를 압출하기 위해 상기 심봉(720)을 구비한 상기 압출 다이(708)의 사용으로 중공형이 생산된다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 상기 압출 다이(708)가 속이 채워진 내부영역을 지닌 압출 팬 블레이드(316)를 생산하기 위하여는 상기 심봉(720)없이 형성될 수 있다는 사실이 종래 기술 분야의 당업자에 의해 이해되어야 한다.
공지된 바와 같이, 상기 압출 프레스는, 상기 빌릿(702)을 담는 압출 프레스 컨테이너(container)와 압력을 가하거나 및/또는 상기 컨테이너 내부에 상기 빌릿(702)을 가압하는데 사용되는 램(ram)을 더 포함할 수 있다. 다양한 유압 압출 프레스가 100톤에서 15000톤의 압력까지 어느 곳에나 압력을 가할 수 있으며, 상기 압출 프레스의 압력 용량이 얼마나 큰 압출을 가능하게 할 수 있는지를 결정한다. 압력이 가해지면, 상기 빌릿(702)은 상기 다이(708)에 대하여 가압되고 상기 컨테이너 벽과의 접촉에 의해 제한받을 때까지 신장된다. 그런 다음에, 압력이 증가함에 따라, 연화된(그러나 여전히 고체인)금속은 상기 압출 다이(708)의 상기 형태의 오리피스를 통하여 강제로 짜내어진 결과, 상기 팬 블레이드(316)의 형성된 프로파일과 같이 상기 압출 다이(708)의 반대측면에서 나오게 된다. 결과적으로, 상기 압출 팬 블레이드(316)는 상기 압출다이(708)의 후단부로부터 떨어져 나올 수 있다. 상기 압출 팬 블레이드(316)가 상기 압출 다이(708)로부터 분리되어 나온 후에 상기 여전히 뜨거운 압출 팬 블레이드(316)는 담금질되고, 기계적으로 처리되며, 에이징(aging) 된다.
일 실시예에 의하면, 상기 압출 팬 블레이드(316)의 상기 단면의 치수 및/또는 프로파일은 약 5인치와 8인치 사이의 폭을 포함하고, 약 0.75(3/4)인치와 1.50(3/2)인치 사이의 높이를 포함한다. 바람직한 실시예에 의하면, 상기 팬 블레이드(316)의 상기 단면의 치수는 약 7인치의 폭과 약 1인치의 높이를 포함한다. 또한, 첫번째, 두번째, 세번째 곡벽(524, 526, 530)의 두께는 대략 0.0625(1/16)인치와 0.1875(3/16)인치 사이에서 형성된다. 바람직한 실시예에 의하면, 상기 벽(524, 526, 530)의 두께는 약 0.15625(5/32)인치이다. 선택적으로, 상기 세번째 벽(530)은, 길이 방향 전체에 걸쳐 상기 트레일링 정션(532)에서 약 0.1875(3/16)인치에서부터 상기 보강된 트레일링 에지(514)에서 약 0.0625(1/16)인치까지 두께가 감소하도록 테이퍼진 모양을 포함한다.
추가적으로, 상기 빌릿(702)의 크기와 상기 다이(708)의 개구의 크기에 따라서 100피트 길이 정도까지의 연속적인 압출이 상기 압출 프레스(706)의 각 행정에 의해 생산될 수 있다. 새로 형성된 압출 팬 블레이드(316)는 상기 압출 팬 블레이드(316)가 상기 압출 프레스(706)로부터 분리되면서 런아웃 컨베이어(run-out conveyor)에 의해 지지될 수 있다. 상기 압출은 다음에 냉각 테이블로 이송되어 공기의 이용 또는 물 담금질을 통하여 상기 다이(708)로부터 꺼내진 후 냉각된다.
다음 제조 부품은 스트레이트너(straightener, 710) 및 톱(712)을 포함한다. 스트레이트너(710)는, 프로파일을 직선화하고 압출 과정에 뒤이어 발생하는 비틀림을 교정하기 위해 압출 프로파일을 냉각한 후에 사용될 수 있다. 직선화 작업 후에 컨베이어들은 압출 팬 블레이드(316)를 상기 톱(712)에 물리도록 하기 위해 사용된다. 톱(712)은 원하는 길이로 압출 프로파일을 절단하기 위하여 사용되는 마무리 절단 톱을 포함한다. 일 실시예에 의하면, 상기 압출 팬 블레이드(316)의 마무리 절단의 치수는 약 4피트와 15피트 사이의 길이를 포함한다. 바람직한 실시예에 의하면, 상기 팬 블레이드(316)의 마무리 절단의 치수는 약 112인치의 길이를 포함한다. 또한, 원형 톱 및/또는 레디얼 암(radial arm) 톱은 압출 프로파일의 길이에 대체로 수직한 각도로 프로파일을 가로질러 절단하는데 사용된다. 다양한 다른 실시예에 의하면, 톱(712)은 상기 프로파일을 위에서 아래로 절단하는 동력 각도절단기(miter saw) 또는 압출된 프로파일을 절단하기 위해 솟아오르는 원형 날을 지닌 테이블 톱(table saw)을 포함한다. 전형적인 마무리 절단 톱은 탄소 팁을 지닌 톱날을 구비하고 지름이 16에서 20인치 정도 될 수 있다.
다음 제조 요소는 에이징 오븐(aging oven, 714)을 포함한다. 공지된 기술과 같이, 일부 압출 합금은 시효 경화(age-hardening)라 불리는 에이징처리를 통하여 최적의 강도에 도달한다. 자연적인 에이징은 상온에서 발생하며 인공 에이징은 침전 열처리라 불리는 상기 에이징 오븐(714) 내 제어된 열처리를 포함한다. 한편, 상기 압출 프로파일이 상기 압출 프레스(706)로부터 나오면 상기 압출 프로파일은 반고체 상태를 포함한다. 그러나 냉각 또는 담금질에 의해 빠르게 경화된다. 망간 또는 마그네슘을 포함하는 합금과 같이, 알루미늄 합금은 자연 에이징과 냉각 작용을 통해서 강도를 이끌어낸다는 사실이 이해되어야 한다. 선택적으로, 구리, 아연 및 실리콘을 지닌 마그네슘과 같은 다른 알루미늄 합금은 상기 합금의 금속 구조에 영향을 미치는 제어된 열처리를 통하여 더욱 강화되거나 경화될 수 있다. 그 결과 상기 에이징 공정은 강도, 경도, 및 특정 압출 합금에 대한 탄성의 증가를 이끌어내어 상기 금속을 통함으로써 미세분말에 대해 대체로 균일한 침전을 보장할 수 있다.
도 7A를 참조하여 서술된 바와 같이 상기 압출 공정은, 도 7B에 나타난 바와 같은 상기 팬 블레이드(316)의 단면의 프로파일 통로를 포함하는 상기 압출다이(708)를 통하여, 상기 압출 빌릿(702)을 가압함으로써 연속적인 단면을 구비한 상기 팬 블레이드(316)를 형성하도록 실행될 수 있다. 상기 보강된 트레일링 에지(514)를 구비한 상기 압출 팬 블레이드(316)의 형성 과정은 다음과 같이 수행될 수 있다.
상기 압출다이(708)가 준비되고 상기 압출 프레스(706)에 부착된다. 다음에, 바람직하게는 알루미늄 합금을 포함하는 상기 압출 빌릿(702)이 압출 프레스 컨테이너에 배치되고 상기 가열로(704)에서 예열 된다. 상기 유연한 빌릿(702)은, 상기 보강된 트레일링 에지(514)를 구비한 상기 팬 블레이드(316)를 형성하기 위한 방식으로 상기 압출 프레스(706)를 이용하여 상기 빌릿(702)에 압력을 가함으로써, 상기 압출 다이(708)를 통하여 강제 압출된다. 일단, 상기 팬 블레이드(316)의 상기 압출 프로파일이 냉각되고 스트레이트너에 의해 직선화되면, 상기 압출 프로파일은 압출 프로파일로부터 상기 팬 블레이드(316)의 원하는 길이를 구비한 다수의 팬 블레이드(316)를 형성하기 위해 예정된 간격으로 톱(712)을 이용하여 절단된다. 추가적인 공정은, 전술한 바와 같은 소정의 방법으로 상기 압출된 팬 블레이드(316)를 에이징하는 것을 포함한다. 압출된 팬 블레이드(316)를 처리한 후에 상기 팬 블레이드(316)를 형성하는 과정이 완성된다.
장점으로는, 상기 팬 블레이드(316)를 압출하는 경우와 관련된 상기의 기술적인 문제점들이 상기 트레일링 에지(514)에 상기 벤트 영역(536) 및 상기 하향 연장된 플랜지(538)를 보강함으로써 극복되었다. 압출 알루미늄 기술을 이용하여 상기 대형 팬 블레이드(316)를 형성하였기 때문에 상기 형성 과정에 의하여 향상된 강도, 강성, 및 탄성과 같은 향상된 구조적 특성을 포함하는 개선된 팬 블레이드(316)가 가능해진다. 상기 압출 방법에 의하면, 또한 상기 팬 블레이드(316)가 향상된 공기역학적 성능 특성을 구비하도록 제조할 수 있다. 그 결과, 동작하는 동안에 더 큰 기둥모양의 공기 유동이 가능해진다. 그러므로, 서술된 바와 같이, 상기 보강된 트레일링 에지(514)를 구비한 개선된 팬 블레이드(316)를 지닌 상기 팬 조립체(100)의 상기 개선된 디자인은 공지기술보다 매우 중요한 개선점을 포함한다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예가 보여지고, 서술되며 특정 실시예에 적용된 바와 같이, 본 발명의 기초가 되는 창의적 특성들이 강조되었음에도 불구하고, 많은 생략, 치환 및 나타난 장치의 상세한 형태에 있어서의 변화가 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 관련기술분야의 당업자에 의해 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 결과적으로, 본 발명의 범위는 전술한 기재에 제한받을 것이 아니라 출원 의뢰한 청구항들에 의해서 정의되어야 한다.

Claims (43)

  1. 산업용 건물의 천장에 팬 조립체의 설치가 가능하도록 적용된 지지대;
    축을 회전시키기 위해 그 축에 결합되고 상기 지지대에 지지되는 모터;
    각 팬 블레이드가 첫번째 곡벽과 두번째 곡벽이 접합되어 리딩 정션과 트레일링 정션을 형성하도록 압출된 금속으로 형성되고, 상기 트레일링 정션은 트레일링 에지를 구비한 세번째 곡벽을 형성하도록 연장되며, 각 블레이드는 상기 트레일링 에지로부터의 플랜지의 각변위가 상기 트레일링 에지를 보강하는 벤트영역을 형성하는 연속적인 방법으로 상기 트레일링 에지에서 멀리 연장되는 플랜지를 더 포함하는, 상기 회전축에 부착된 다수의 팬 블레이드;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    각 팬 블레이드는, 상기 플랜지를 형성하도록 굽은, 테이퍼진 트레일링 에지를 구비한 프로펠러 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플랜지는, 상기 세번째 곡벽의 상기 하부면으로부터 하향 연장되는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 첫번째 곡벽은, 중공의 내부 영역을 형성하도록 두번째 곡벽에 접합되는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 첫번째 곡벽은, 속이 채워진 내부 영역을 형성하도록 두번째 곡벽에 접합 되는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    각 팬 블레이드는, 약 5인치와 8인치 사이의 단면폭을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    각 팬 블레이드는, 약 0.75(3/4)인치와 1.50(3/2)인치 사이의 단면 높이를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    각 팬 블레이드는, 약 4피트와 15피트 사이의 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 첫번째 및 두번째 곡벽은, 약 0.0625(1/16)인치와 0.1875(3/16)인치 사이의 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 세번째 곡벽은, 길이 전체에 걸쳐 상기 트레일링 정션에서 약 0.1875(3/16)인치에서부터 상기 트레일링 에지에서 약 0.0625(1/16)인치까지 두께가 감소하도록 테이퍼진 모양을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 플랜지는, 약 0.125(1/8)인치와 0.375(3/8)인치 사이의 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    다수의 상기 팬 블레이드는, 회전축에 연결되는 허브에 부착된 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    다수의 상기 팬 블레이드는, 적어도 10개의 팬 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  14. 제1항에 있어서,
    다수의 상기 팬 블레이드의 각각은, 압출 기법을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 압출되는 금속은, 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물 내 공기순환을 위한 팬조립체.
  16. 첫번째 곡벽은, 트레일링 에지의 방향으로부터 외부로 연장된 플랜지를 포함하는 트레일링 에지를 구비한 프로펠러 형상을 형성할 수 있도록, 두번째 곡벽과 접합 되고,
    상기 트레일링 에지의 상기 플랜지부가 상기 트레일링 에지의 하부면으로부터 하향 연장됨으로써, 상기 트레일링 에지의 상기 하부면으로부터의 상기 플랜지부의 각변위가, 상기 플랜지 된 트레일링 에지가 손상에 저항하도록, 상기 트레일링 에지의 구조적 강성을 증대시키는 소정의 보강된 영역을 형성하며,
    상기 플랜지가 상기 팬 블레이드를 구비한 상기 팬 조립체의 작동의 결과로 유동의 부피를 증가시키는,
    다수의 곡벽을 구비한 압출되는 단면 프로파일(profile)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 첫번째 곡벽은, 중공의 내부 영역을 형성하도록 두번째 곡벽과 접합하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 첫번째 곡벽은, 속이 채워진 내부 영역을 형성하도록 두번째 곡벽과 접합하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 압출된 단면 프로파일은, 약 7인치의 단면폭을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 압출된 단면 프로파일은, 약 1인치의 단면 높이를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는, 적어도 4피트의 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는, 적어도 15피트 미만의 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 첫번째 및 두번째 곡벽은, 약 0.15625(5/32)인치의 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 트레일링 에지는, 그 길이 전체에 걸쳐 두께가 감소하는 테이퍼진 모양을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 플랜지는, 약 0.125(1/8)과 0.375(3/8)인치 사이의 길이를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는, 상기 팬 블레이드의 상기 압출 단면 프로파일을 형성하기 위하여 압출 다이를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는, 알루미늄 압출 기법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 산업용 건물에서 사용되는 팬조립체용 금속 팬 블레이드.
  28. 산업용 건물의 천장에 팬 조립체를 부착시키는 회전축을 구비한 마운팅 조립체와;
    다수의 팬 블레이드의 각각이 적어도 4피트 길이이고 압출된 금속으로 형성하여 첫번째 프로펠러 구역 및 테이퍼진 트레일링 에지를 구비하며, 플랜지는 상기 테이퍼진 트레일링 에지의 보강 및 상기 팬 블레이드가 회전하는 동안 증가되는 하향 추진력의 제공을 위하여, 상기 테이퍼진 트레일링 에지의 단부에 일체로 형성되는, 상기 회전가능한 허브에 설치된 다수의 팬 블레이드;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물을 냉각하기 위한 팬 조립체.
  29. 제28항에 있어서,
    첫번째 곡벽은, 중공의 내부 영역을 구비하는 상기 첫번째 프로펠러 구역을 형성하도록, 두번째 곡벽과 접합 되는 것을 특징으로 하는 산업용 건물을 냉각하기 위한 팬 조립체.
  30. 제29항 있어서,
    상기 첫번째 곡벽은, 상기 테이퍼진 트레일링 에지를 형성하도록 연장되고, 상기 테이퍼진 트레일링 에지는 상기 플랜지를 형성하도록 원위(遠位)단부에 굽은 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 산업용 건물을 냉각하기 위한 팬 조립체.
  31. 제28항에 있어서,
    다수의 팬 블레이드는, 압출 제조 공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 산업용 건물을 냉각하기 위한 팬 조립체.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 플랜지는, 상기 테이퍼진 트레일링 에지가 형성되는 동안 파열되는 것에 저항할 수 있도록, 상기 압출 제조 공정 동안에 상기 테이퍼진 트레일링 에지를 보강하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물을 냉각하기 위한 팬 조립체.
  33. 제28항에 있어서,
    다수의 팬 블레이드의 각각은, 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 건물을 냉각하기 위한 팬 조립체.
  34. 금속을 연화하는 과정과;
    상기 금속을 압출 금형에 강제로 밀어넣어 냉각되는 금속 팬 블레이드가 상기 압출 금형의 밖으로 압출됨으로써, 단면이 첫번째 프로펠러 구역을 형성하고, 상기 첫번째 프로펠러 구역의 일단에 일체로 부착되는 테이퍼진 트레일링 에지를 구비하며, 압출과정에서의 상기 테이퍼진 트레일링 에지의 파열을 방지하도록 상기 테이퍼진 트레일링 에지를 보강할 수 있는 상기 테이퍼진 트레일링 에지의 방향으로부터 외부로 연장된 보강된 플랜지를 구비하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 금속을 연화하는 과정은, 알루미늄을 연화하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 금속을 연화하는 것은, 구리, 망간, 실리콘, 마그네슘 및 아연 중 적어도 1개와 함께 알루미늄 합금을 연화하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 방법은, 중공의 내부 영역을 구비한 상기 팬 블레이드를 제조하기 위한 압출 금형을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
  38. 제34항에 있어서,
    상기 방법은, 속이 채워진 내부 영역을 구비한 상기 팬 블레이드를 제조하기 위한 압출 금형을 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
  39. 제34항에 있어서,
    상기 금속을 압출다이에 강제로 밀어넣는 것은, 상기 연화된 금속이 상기 압출 금형을 통과하도록 강제하기 위해 압출 프레스를 이용하여 상기 연화된 금속에 압력을 가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 접합된 팬 블레이드는, 다수의 독립된 팬 블레이드를 형성하기 위하여 분리되는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
  41. 제34항에 있어서,
    상기 금속을 압출 금형에 강제로 밀어넣는 것은, 균일한 단면을 구비한 적어도 1개의 팬 블레이드를 생산하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 금속을 압출 금형에 강제로 밀어넣는 것은, 상기 프로펠러 구역을 형성하기 위해 합쳐지는 첫번째 면과 두번째 면을 구비하는 적어도 1개의 팬 블레이드를 생산하여 적어도 1개의 팬 블레이드에 의해 생성된 상기 공기 유동의 원주방향 특성이 향상되는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 금속을 압출 금형에 강제로 밀어넣는 것은, 상기 테이퍼진 트레일링 에지와 상기 보강된 플랜지의 적어도 1개를 포함하는 연장된 첫번째 면을 구비한 적어도 1개의 팬 블레이드를 생산하고 그 결과, 개선된 프로펠러 디자인이 가능한 것을 특징으로 하는 팬 블레이드 제조방법.
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