KR20130008635A - 팬 블레이드와 그 개조체 - Google Patents

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Abstract

본원의 윙릿은 수직부재와 장착부재로 구성된다. 상기 장착부재는 팬 블레이드의 선단부에 윙릿을 장착시키기 용이하게 이루어진다. 상기 수직부재는 팬 블레이드의 선단부에 대해 직각으로 신장하게 형성된다. 팬 블레이드에 윙릿을 추가하여, 팬 블레이드의 공기역학작용이 향상되었고, 팬의 효율이 높아졌다.

Description

팬 블레이드와 그 개조체{FAN BLADES AND MODIFICATIONS}
본 발명은 팬 블레이드 및 팬 블레이드의 개조에 관한 것으로, 특히 팬 블레이드를 사용하는데 적절한 에어포일(airfoil) 및 팬 블레이드를 사용하는데 적절한 윙릿(winglet)에 관한 것이다.
창고 및 공장과 같은 대형 구조물에서 일하는 사람들은 불편하거나 위험한 작업 환경에 노출되어 있을 수 있다. 또한, 그런 상황은 가축으로 채워진 구조물에서와 같은 농장에도 동일하게 적용될 수 있다. 무더운 날씨에 내부의 공기온도는 사람 또는 동물이 건강 또는 다르게 바람직한 체온을 유지할 수 없는 온도에 이를 수 있다. 온도가 불쾌하거나 불안하게 높은 영역에서는 그 영역 내에서 공기흐름을 발생시키거나 향상시키게 동작할 수 있는 장치를 설치하는 것이 바람직할 것이다. 그런 공기흐름은 어느 정도 해당 영역의 온도를 떨어뜨리는 역할을 한다.
또한, 그런 환경에서 실시되는 여러 활동, 예를 들면 용접이나 내연기관의 동작은 그 환경에 노출된 사람들에게 해로울 수 있는 공중부유 오염물질을 발생할 수 있다. 공중부유 오염물질의 영향은 만일 그 영역 내의 공기흐름이 이상적이지 못하다면 확대될 수 있다. 그런 상황에서는 그 영역 내에 공기흐름을 생성하거나 향상시킬 수 있는 장치가 있는 것이 바람직하다. 그런 공기흐름은 어느 정도 오염물질의 악영향을 감소, 예를 들어 오염물질의 희석 및/또는 제거를 촉진한다.
특정 구조물 및 환경에서는 열(heat)이 구조물의 천정 근방에 모여 남는 것이 문제가 된다. 이것은 구조물의 바닥 근방의 구역이 비교적 낮은 온도로 있다는 사실과 관련된다. 당분야의 기술인은 이런 또는 다른 불균형한 공기/온도 분포가 원인이 되어 발생할 수 있는 불이익을 쉽게 인식할 것이다. 이런 또는 유사한 상황에서는 해당 구역 내에 공기흐름을 발생 또는 향상시키게 동작할 수 있는 장치를 설치하는 것이 바람직하다. 그런 공기흐름은 층-분해(de-stratification) 및 이상적인 공기/온도 분포를 이끌어내는데 어느 정도 도움이 된다.
본 발명의 여러 실시예를 본 발명의 기본원리 및 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 첨부된 도면을 참고로 하여 이하에 기술한다. 따라서, 기술된 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아닌 설명을 목적으로 기술되는 것이다. 또한, 도면에서 동일한 도면 번호는 동일한 요소를 지칭하는 것으로 이해되게 도면 번호를 부여하였다.
에너지 소비를 감소시킬 수 있는 팬(fan)을 갖는 것이 바람직할 수도 있다. 에너지 소비의 감소는 효율적으로 동작하는(예를 들면, 다른 팬과 대비하여 팬을 구동하는데 필요한 전력을 적게 소비함) 팬으로 이루어진다. 또한, 에너지 소비의 감소는 공기 분포를 개선한 팬에 의해 효과가 클 수도 있으며, 이를 통해 다른 장치와 함께 관련하여 난방 또는 냉방 비용을 줄일 수도 있을 것이다.
도1은 팬 블레이드를 장착하는 허브(hub)의 평면도이다.
도2는 예를 든 팬 블레이드 에어포일의 횡단면도이다.
도3은 다른 예의 팬 블레이드 에어포일의 횡단면도이다.
도4는 2개 타원을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
도5는 도4의 그래프의 일 부분을 나타낸 도면이다.
도6은 예를 든 윙릿 팬 블레이드를 개조하여 측면도로 나타낸 도면이다.
도7은 도6의 윙릿의 횡단면도이다.
도8은 도6의 윙릿의 상부도이다.
도9는 도6의 윙릿이 개조된 도2의 팬 블레이드의 단부도이다.
도10은 도9의 윙릿-블레이드 조립체의 분해 사시도이다.
본 발명의 여러 실시예를 본 발명의 기본원리 및 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 첨부된 도면을 참고로 하여 이하에 기술한다. 따라서, 기술된 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아닌 설명을 목적으로 기술되는 것이다. 또한, 도면에서 동일한 도면 번호는 동일한 요소를 지칭하는 것으로 이해되게 도면 번호를 부여하였다.
도면 전체를 통해 유사 부품을 유사한 도면번호가 가리키게 나타낸 첨부도면을 참조하여 본원 발명을 설명한다. 도1은 팬 블레이드(30 또는 50)를 가진 팬을 제공하는데 사용되는 일례의 팬 허브(10)를 나타낸 도면이다. 실시예에서, 팬 허브(10)는 팬 블레이드(30 또는 50)를 설치할 수 있는 복수개의 허브 장착부재(12)를 포함한다. 일 실시예에서, 팬 허브(10)는 선택적 또는 사전 결정된 속도로 팬 허브(10)를 회전시키는 구동 메카니즘에 결합된다. 따라서, 적절한 허브 조립체는 허브(10)와 상기 허브(10)에 결합된 구동 메카니즘을 포함한다. 물론, 허브 조립체는 다른 허브를 구비한 다양한 다른 부품을 포함할 수 있으며, 팬 허브(10)는 모든 적절한 수단에 의해 구동될 수 있다. 또한, 팬 허브(10)도 모든 적절한 수의 허브 장착부재(12)를 가질 수 있다.
도1 내지 도3에 도시한 바와 같이, 각각의 허브 장착부재(12)는 앞전(leading edge)(18)과 뒷전(trailing edge)(20)쪽에서 종결되는 상부면(14)과 하부면(16)을 갖는다. 또한, 각각의 허브 장착부재(12)는 상부면(14)을 통하고 하부면(16)을 통하게 형성된 트인구멍(22)을 갖는다. 실시예에서, 트인구멍(22)은 파스너(26)를 수용할 수 있는 크기로 이루어진다. 각각의 허브 장착부재(12)는 팬 블레이드(30 또는 50)를 수용할 수 있게 구성된다. 당분야의 기술인은 허브 장착부재(12)가 다양하게 변경된 구조로 제공될 수 있음을 알고 있을 것이다.
일 실시예에서, 팬 블레이드(30 또는 50)는 미국특허 6,244,821호에 개시된 허브 조립체에 장착된다. 물론, 팬 블레이드(30 또는 50)는 임의적인 다른 허브 및/또는 허브 조립체에 장착될 수도 있다. 적절한 허브 조립체는 허브(10)가 어떤 적절한 각속도(angular speed)로 회전하도록 작동할 수 있게 한다. 예를 들어, 상기 각속도는 어떤 영역에서 대략 7 내지 108rpm 범위에 있다.
도2는 허브(10)에 장착된 말아올린 형태(curled)의 뒷전(38)을 가진 일례의 팬 블레이드(30)의 횡단면도이다. 상기 횡단면도는 허브(10)쪽으로 보았을 때 팬 블레이드(30)의 중앙에 위치한 횡단면을 따라 절취한 것이다. 팬 블레이드(30)는 상부면(32)과 하부면(34)을 갖고, 각각의 면은 앞전(36)과 뒷전(38)에서 끝난다. 도시한 바와 같이, 뒷전(38)은, 뒷전(38) 근방의 상부면(32) 부분과 뒷전(38) 근방의 하부면(34) 부분에 대해 대략 45°의 경사로 이루어진다. 물론, 뒷전(38)은 단일 평탄면을 포함하는 범위에서 예를 들어, 0°와 같이 어떤 다른 적절한 경사를 가질 수 있다. 다른 적절한 뒷전(38)의 구조도 당분야의 기술인은 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
이 실시예에서, 팬 블레이드(30)는 거의 중공(hollow)으로 있다. 복수개의 리브(rib) 또는 보스(boss)(40)가 팬 블레이드(30)의 내측에 배치된다. 도시된 바와 같이, 허브 장착부재(12)가 팬 블레이드(30)에 삽입되었을 때, 리브 또는 보스(40)는 허브 장착부재(12)의 상부면(14), 하부면(16), 앞전(18), 및 뒷전(20)과 계합하도록 위치하여 있다. 따라서, 보스(40)는 팬 블레이드(30)와 허브 장착부재(12)가 서로 안정적으로 들어맞게(snug fit) 설치되게 한다. 한정적이지 않은 기재로 팬 블레이드(30)와 허브 장착부재(12)와의 사이의 상호관계에 영향을 미치는 구조를 가진 팬 블레이드(30)의 다른 구조를 당분야의 기술인은 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
본원에서 사용되는 "코드(chord)", "코드 길이", "최대 두께", "최대 캠버(camber)", "받음각(angle of attack)" 등의 용어는 비행기 날개 또는 다른 에어포일 설계 기술분야에서 사용하는 용어의 의미와 동일하게 사용된다. 일 실시예에서, 팬 블레이드(30)의 코드 길이는 대략 6.44인치(16.35cm)이다. 팬 블레이드(30)의 최대 두께는 상기 코드의 대략 16.2% 이며, 최대 캠버는 상기 코드의 대략 12.7% 이다. 앞전(36)의 반경은 코드의 대략 3.9%이다. 하부면(34)의 사분면의 뒷전(38)의 반경은 코드의 대략 6.8% 이다. 다른 실시예에서, 팬 블레이드(30)의 코드는 대략 7인치(17.78cm)이다. 다른 실시예에서, 팬 블레이드(30)의 코드는 대략 6.6875인치(16.9862cm)이다. 물론, 임의적인 다른 적절한 크기 및/또는 비율을 사용할 수 있다.
예를 들어, 팬 블레이드(30)는 레이놀즈 수가 대략 120,000인 상태에서의 대략 39.8로부터 레이놀즈 수가 대략 250,000인 상태에서의 대략 93.3까지의 범위에 양항비(lift to drag ratios)를 나타낸다. 물론, 팬 블레이드(30)는 다른 양항비를 얻을 수 있다.
일 실시예에서, 팬 블레이드(30)는 레이놀즈 수가 대략 75,000인 상태에서 대략 0.027로부터 레이놀즈 수가 대략 112,500인 상태에서 대략 0.127의 범위에 있는 항력 계수(drag coefficients)를 나타낸다. 물론, 팬 블레이드(30)는 다른 항력 계수를 얻을 수 있다.
일 예에서는 레이놀즈 수가 대략 200,000인 상태에서 팬 블레이드(30)는 팬 블레이드(30)의 뒷전(38)의 하부면(34)에서 속도비가 대략 1.6 이도록 공기를 이동시킨다. 팬 블레이드(30)는 다른 속도비를 얻을 수 있다.
일 실시예에서, 팬 블레이드(30)는 레이놀즈 수가 대략 112,000인 상태에서 대략 -1°~ 7°의 받음각의 경우와, 레이놀즈 수가 대략 250,000인 상태에서 대략 -2°~ 10°의 받음각의 경우에 비-실속 공기역학작용을 제공한다. 물론, 상기 값들은 단지 예를 들어 나타낸 것이다.
도3은 각각의 면이 허브(10)에 장착된 앞전(56)과 뒷전(58)까지 이어진 대략 타원형의 상부면(52)과 하부면(54)을 가진 팬 블레이드(50)의 다른 예의 횡단면도이다. 상기 횡단면도는 허브(10)쪽으로 보았을 때 팬 블레이드(50)의 중심에 위치한 가로평면을 따라 절취한 것이다. 이 예에서, 팬 블레이드(50)는 중공이다. 복수개의 보스(60)가 팬 블레이드(50) 내측에 설치된다. 도시된 바와 같이, 허브 장착부재(12)가 팬 블레이드(50) 안에 삽입되었을 때, 보스(60)가 허브 장착부재(12)의 상부면(14), 하부면(16), 앞전(18), 및 뒷전(20)과 접하게 위치하여 있다. 따라서, 보스(60)는 팬 블레이드(50)와 허브 장착부재(12)가 서로 안정적으로 들어맞는 설치가 되게 한다. 제한적이지 않은 기재로, 팬 블레이드(50)와 허브 장착부재(12)와의 사이의 관계에 영향을 미치는 구조로 이루어진 팬 블레이드(50)의 다른 구조를 당기술분야의 기술인은 용이하게 예견할 수 있을 것이다.
도시한 바와 같이, 팬 블레이드(50)는 뒷전(58)을 향하여 더 커지는 곡률 반경을 갖는 것에 비해, 앞전(56)쪽으로는 더 작아지는 곡률 반경을 갖는다. 팬 블레이드(50)의 곡률은 적어도 부분적으로 다음과 같은 식을 사용하여 2개의 타원의 생성을 통해 구할 수 있다. 당분야의 기술인은 데카르트 좌표의 x와 y축의 교점을 원점으로 하는 제1타원이 다음의 식으로 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[1] x = a(COS(t))
[2] y = b(SIN(t))
여기서, a = 제1반경 길이, b = 제2반경 길이, 그리고 t = 원점에 대한 반경 회전각(예, 라디안)이다.
따라서, 제1타원은 상기 식을 사용하여 생성할 수 있다. 마찬가지로, 제1타원의 1쌍의 좌표를 [1]식과 [2]식을 사용하여 구할 수 있다. 예를 들어, 제1타원(200)은 도4의 그래프로 설명되며, 여기서, a = 3 이고, b = 2이다.
제2타원의 좌표는 다음과 같은 식을 사용하여 구해진다.
[3] x2 = x(COS(θ)) - y(SIN(θ)),
[4] y2 = y(COS(θ)) - x(SIN(θ))
여기서, x2는 원점에 대해 θ라디안만큼 제1타원이 역시계방향으로 회전한 후에 제2 "x"좌표이고, y2는 원점에 대해 θ라디안만큼 제1타원이 역시계방향으로 회전한 후에 제2 "y"좌표이다.
따라서, 제2타원의 치수는 제1타원의 치수에 의해 결정된다. 예를 든 제2타원(300)은 도4에 도시한 그래프로 설명되며, 여기서 θ = 0.525라디안 이다. 여기서, 제1 및 제2타원이 [1]식 내지 [4]식에 따라 좌표로 나타나고, 2개의 타원은 4개의 지점에서 상호교차(타원 교점)함을 알 수 있다. 도4는 제1타원(200)과 제2타원(300)과의 사이에 4개의 타원 교점(400)을 나타낸 도면이다.
상부면(52)과 하부면(54)의 곡률은 적어도 부분적으로 2개의 연속한 타원 교점 사이에 제1 및 제2타원의 곡률에 기본한다. 연속한 타원의 교점(400)사이에 타원(200, 300)을 나타낸 도5는 제1타원(200)과 제2타원(300)의 구간의 예를 나타낸다. 따라서, [1]식 내지 [4]식을 사용하여 팬 블레이드(50)의 적어도 하부면(54)과 상부면(52)의 면좌표를 생성할 수 있다.
팬 블레이드(50)의 코드 길이 대 두께 비율은 2개의 타원에 대한 회전량(θ)에 따라 변하는 것임을 이해할 수 있을 것이다.
물론, 팬 블레이드(50)의 일부분은 제1 및 제2타원의 곡선으로부터 벗어나 있다. 일례를 들어 설명하면, 앞전(56)을 개조하여 거의 원형인 곡선을 갖게 할 수도 있다. 당분야의 기술인은 다른 변형도 이룰 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 팬 블레이드(50)는 a = 3유닛, b = 2유닛, 및 θ = 0.525라디안의 [1]식 내지 [4]식을 사용하여 구해진다. 이 실시예에서, 팬 블레이드(50)는 코드 길이의 3.5%의 직경을 가진 원형의 앞전(56)으로 설치된다. 이러한 앞전(56)의 구부러짐은 상부면(52)과 하부면(54)의 곡선과 접선방향으로 일치한다. 상기 일치는 도3 및 도5를 대비하여 알 수 있을 것이다. 물론 다른 치수가 사용될 수도 있다.
일 실시예에서, 팬 블레이드(50)는 대략 7.67인치(19.48cm)의 코드 길이를 갖는다. 다른 실시예에서, 팬 블레이드는 대략 7.687인치(19.524cm)의 코드 길이를 갖는다. 물론, 팬 블레이드(50)는 다른 적당한 코드 길이를 가질 수도 있다.
이 예에서, 앞전(56)의 반경은 코드의 대략 3.5% 이다. 팬 블레이드(50)의 최대 두께는 코드의 대략 14.2% 이다. 팬 블레이드(50)의 최대 캠버는 코드의 대략 15.6% 이다. 물론, 모든 다른 적절한 치수 및/또는 비율을 사용할 수 있다.
일례로, 직경이 24피트(7.3m)이며, 10개의 팬 블레이드(50)가 10°의 받음각으로 설치된 팬은, 대략 7rpm으로 회전하면, 대략 5.2 lb(2.359kg)의 추력을 발생하여 대략 87,302 cfm(cubic feet per minute) 변위(displacement)를 한다. 대략 14rpm으로 회전하면, 팬은 대략 10.52 lb의 추력을 발생하여 대략 124,174cfm 변위를 한다. 대략 42rpm으로 회전하면, 팬은 대략 71.01 lb의 추력을 발생하여 대략 322,613cfm 변위를 한다. 다른 추력 및/또는 변위 양(displacement volumes)을 팬 블레이드(50)의 팬으로 구할 수 있다.
일례를 들어 기재하면, 대략 10°의 받음각을 가진 팬 블레이드(50)는 레이놀즈 수가 대략 120,000인 상태에서의 대략 39로부터 레이놀즈 수가 대략 250,000인 상태에서의 대략 60까지의 범위에 있는 양항비를 나타낸다. 팬 블레이드(50)는 다른 양항비를 구할 수 있다.
일 실시예에서, 팬 블레이드(50)는, 레이놀즈 수가 대략 112,000인 상태에서 대략 1°내지 11°사이의 받음각의 경우에, 레이놀즈 수가 대략 200,000인 상태에서 대략 0°내지 13°사이의 받음각의 경우에, 또한 레이놀즈 수가 대략 250,000인 상태에 대략 1°내지 13°사이의 받음각의 경우에 비-실속 공기역학을 제공한다. 물론, 상기 값들은 단지 예를 들어 나타낸 것이다.
일례로, 직경이 14피트(4.2m)이며 10개의 팬 블레이드(50)를 가진 팬을 대략 25rpm으로 회전시킨다. 상기 팬들은 대략 54watts로 작동하며, 토오크가 대략 78.80인치-파운드(in.lbs.), 유량이 대략 34,169cfm 이다. 따라서, 팬의 효율은 대략 632.76cfm/watt 이다.
다른 예에서, 직경이 14피트(4.2m)이며 10개의 팬 블레이드(50)를 가진 팬을 대략 37.5rpm으로 회전시킨다. 상기 팬은 대략 82watts로 작동하며, 토오크가 대략 187.53인치-파운드(in.lbs.), 유량이 대략 62,421cfm 이다. 따라서, 팬의 효율은 대략 761.23cfm/watt 이다.
또 다른 예에서, 직경이 14피트(4.2m)이며 10개의 팬 블레이드(50)를 가진 팬을 대략 50rpm으로 회전시킨다. 상기 팬은 대략 263watts로 작동하며, 토오크가 대략 376.59인치-파운드(in.lbs.), 유량이 대략 96,816cfm 이다. 따라서, 팬의 효율은 대략 368.12cfm/watt 이다.
다음은 단지 예를 들어 기재하는 것이지만, 팬 블레이드(30) 또는 팬 블레이드(50)를 포함하는 모든 팬 블레이드에 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 팬 블레이드(30 또는 50)는 균질한 재료의 연속체를 포함한다. 단순한 일례로, 팬 블레이드(30, 50)는 압출 알루미늄으로 구성될 수 있다. 그러나, 팬 블레이드(30 및/또는 50)는 제한적이지 않은 기재로 어떤 금속 및/또는 플라스틱을 포함하는 다른 어떤 적당한 재료(들)로 구성되어도 좋다. 또한, 팬 블레이드(30 및/또는 50)는 제한적이지 않은 기재로 스탬핑, 벤딩, 용접 및/또는 몰딩을 포함하는 모든 적당한 제조방법으로 제조된다. 당 기술분야의 기술인은 다른 적절한 제조 방법 및 물질에 대해서도 예견할 수 있을 것이다.
팬 블레이드(30 또는 50)가 허브(10)에 장착되면, 허브 장착부재(12)가 팬 블레이드(30 또는 50) 내로 예를 들어 대략 6인치(15.24cm) 신장된다. 선택적으로, 허브 장착부재(12)는 팬 블레이드(30 또는 50) 내로 임의적인 적당한 길이로 신장시킬 수 있다. 또한, 예견할 수 있는 바와 같이, 허브(10)는 팬 블레이드(30 또는 50)의 내부로가 아니라 외부에 설치된 장착부재(12)를 가질 수도 있다. 다르게는, 장착부재(12)가 부분적으로 팬 블레이드(30 또는 50)의 내부와 부분적으로 외부 양측에 설치될 수 있다.
팬 블레이드(30 또는 50)는 또한, 허브 장착부재(12)의 트인구멍(22)과 일치하게 구성된 1개 이상의 트인구멍을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 팬 블레이드(30 또는 50) 내의 트인구멍을 허브 장착부재(12)에 있는 트인구멍(22)과 일치시키면, 파스너(26)가 트인구멍을 통해 삽입되어 팬 블레이드(30 또는 50)를 허브 장착부재(12)에 고정시킬 수 있다. 일 실시예에서, 파스너(26)는 볼트이다. 당분야의 기술인은 파스너(들)(26)를 대신하는 다른 적절한 것으로 제한적이지 않은 기재로 접착제를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 트인구멍(22)은 선택적으로 택해지는 것으로 이해할 수 있다.
팬 블레이드(30 또는 50)는 길이가 대략 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 또는 14피트(1.2, 1.5, 1.8, 2.1, 2.4, 2.7, 3.0, 3.3, 3.6, 3.9, 또는 4.2m)이다. 선택적으로, 팬 블레이드(30 또는 50)는 어떤 다른 적당한 길이로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 팬 블레이드(30 또는 50)와 허브(10)는 팬 블레이드(30 또는 50)와 허브(10)를 포함하는 팬의 직경이 대략 24피트(7.3m)가 되는 크기로 된다. 다른 실시예에서, 팬 블레이드(30 또는 50)와 허브(10)는 팬 블레이드(30 또는 50)와 허브(10)를 포함하는 팬의 직경이 대략 14피트(4.2m)가 되는 크기로 된다. 당기술분야의 기술인은 다른 적절한 치수를 이룰 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
팬 블레이드(30 또는 50)의 길이를 따라서 있는 모든 횡단면이 동일하게 이루어질 필요는 없음을 이해할 것이다. 즉, 팬 블레이드(30 또는 50)의 구조가 팬 블레이드(30 또는 50)의 전체 길이를 따라서 일정하게 이루어질 필요는 없다. 일례로, 팬 블레이드(30 또는 50)의 "허브 장착 단부"(즉, 허브(10)에 장착되는 팬 블레이드(30 또는 50)의 타측 단부)의 일부를 제거해도 된다. 일례로, 허브(10)에 다른 블레이드(50)를 수용하기 위해 팬 블레이드(50)의 앞전(56)을 경사지게 절단할 수 있다.
선택적으로, 허브 장착 단부의 일부분 또는 다른 부분을 생략하거나, 제거하거나 또는 다른 방법으로 "누락"시키어 팬 블레이드(30 또는 50)를 구성하거나, 형성할 수도 있다. 그런 부분(제거되거나 처음부터 없었던 것과는 관계없음)이 존재하지 않는 것은, 허브(10)의 위치에서 서로 간섭하는 팬 블레이드(30 또는 50)에 따른 문제를 개선할 수 있음을 예견할 수 있을 것이다. 그런 간섭은 한정적이지 않은 기재로 팬 블레이드(30 또는 50)의 코드 길이를 포함하는 다양한 요인에 의해 발생되는 것이다. 물론, 간섭 이외의 요인이 팬 블레이드(30 또는 50)의 일부분의 제거 또는 다른 방식에 의한 결여(absent)에 영향을 미칠 수도 있다. 결여 부분이 앞전(36 또는 56)의 일부분, 뒷전(38 또는 58)의 일부분, 또는 그 양쪽 부분을 포함할 수 있다.
선택적으로, 허브(10)에서 팬 블레이드(30 또는 50)의 간섭을 해결하기 위해 (예를 들어, 허브 장착부재(12)의 수를 증가시키지 않고) 허브의 직경을 증가시킬수도 있다. 다르게는, 팬 블레이드(30 또는 50)의 코드를 짧게 할 수 있다. 당분야의 기술인은 허브(10) 및/또는 팬 블레이드(30 또는 50)의 다른 대체 및 변경을 이해할 수 있을 것이다.
당분야의 기술인은 팬 블레이드(30 또는 50)의 받음각이 제로 또는 제로가 아닌 각도도 좋다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 일례로, 허브 장착부재(12)에 장착되었을 때, 팬 블레이드(30 또는 50)는, 예를 들어, 대략 -1° 내지 7°(7°포함); -2°내지 10°(10°포함); 또는 대략 7°, 8°, 10°, 또는 13°범위의 받음각을 가질 수 있다. 물론, 팬 블레이드(30 또는 50)는 모든 다른 적절한 받음각을 가질 수 있다. 팬 블레이드(30 또는 50)를 길이를 따라 거의 직선적으로 할 수도 있으며, 원하는 받음각을 가진 허브 장착부재(12)를 갖도록 받음각을 제공할 수도 있다.
선택적으로, 허브 장착부재(12)의 받음각을 제로로 하고, 그리고 팬 블레이드(30 또는 50)의 비틀림에 의해 팬 블레이드(30 또는 50)에 받음각을 제공하여도 된다. 즉, 팬 블레이드(30 또는 50)를 허브 장착부재(12)가 팬 블레이드(30 또는 50) 내로 신장하는 길이에 따라 대체로 직선적으로 하고, 그리고 팬 블레이드(30 또는 50)의 나머지 부분에 대해 받음각을 주기 위해 비틀림을 주어도 된다. 그런 비틀림은 팬 블레이드(30 또는 50)의 모든 적당한 길이에 걸쳐 생성할 수 있다(예를 들어, 팬 블레이드(30 또는 50)의 길이의 나머지 전체가 비틀림이 있거나; 또는 비틀림이 짧고 이로 인해 팬 블레이드(30 또는 50)의 나머지 거의 모든 부분이 대체로 직선적이거나; 등등). 당분야의 기술인은 팬 블레이드(30)의 전체 또는 일부에 받음각을 제공하기 위한 적절한 다른 구조 및 방법을 예견할 수 있을 것이다. 또한, 팬 블레이드(30 또는 50)의 전체 또는 일부가 임의의 목적으로 1개 이상의 비틀림을 가질 수 있음도 예견할 수 있을 것이다.
당분야의 기술인은 팬 블레이드(예, 30 또는 50)를 다양한 방식으로 개조해도 좋을 것임을 이해할 수 있을 것이다. 그런 개조는 팬 성능의 특성을 변경시킬 것이다. 도6 내지 도10에서 예를 들어 도시한 형태로 나타낸 바와 같이, 일례의 그런 개조에서 윙릿(70)을 포함할 수 있다. 윙릿(70)은 팬 블레이드(30 또는 50)와 관련하여 기재되지만, 상기 윙릿(70)은 임의적인 다른 적당한 팬 블레이드에 사용해도 된다.
이 예에서의 윙릿(70)은 수직부재(72)를 포함한다. 수직부재(72)는 평탄한 내부면(74)과 둥근형상의 외부면(76)을 포함한다. 당분야의 기술인에게는 내부면(74)과 외부면(76)의 다른 적절한 구조가 이해될 수 있을 것이다. 이 예에서는 수직부재(72)의 둘레가 하부 가장자리(78)와, 상부 가장자리(80) 및, 후방 가장자리(82)에 의해 한정된다. 각각의 가장자리(78, 80, 82)는 일반적으로 각 모서리(84)에서 합류된다. 따라서, 이 예에서는 수직부재(72)가 3개의 모서리(84)를 갖는다. 도시한 바와 같이 각 모서리(84)는 둥글게 이루어진다. 따라서, 여기서 사용된 "모서리" 라는 용어는 첨예한 각(sharp angle)을 연상하는 것으로 이해하지 않아야 한다. 즉, 모서리는 1조의 직선이 만나거나 교차하는 지점 또는 영역으로 한정되지 않아야 한다. 이 예에서 수직부재(72)는 3개의 모서리를 가지는 것으로 기재되었지만, 수직부재(72)는 적절한 수의 모서리(84)를 가질 수 있는 것이다.
당분야의 기술인에게는 수직부재(72)의 다른 변경이 분명히 용이하게 이해될 것이다.
부가로, 이 예의 윙릿(70)은 윙릿 장착부재(90)를 추가로 포함하며, 상기 장착부재는 수직부재(72)의 내부면(74)으로부터 거의 직각으로 신장된다. 도시한 바와 같이, 윙릿 장착부재(90)는 허브 장착부재(12)와 유사한 구조이다. 윙릿 장착부재(90)는 상부면(92)과 하부면(94)을 갖고, 각각이 앞전(96)과 뒷전(98)까지 이어진다. 또한, 각각의 윙릿 장착부재(90)는 상부면(92)과 하부면(94)을 통해 형성된 트인구멍(100)을 포함한다. 이 예에서, 각각의 트인구멍(100)은 파스너(26)를 수용하는 크기이다. 윙릿 장착부재(90)는 팬 블레이드(30 또는 50)의 일측 단부 안으로 삽입되게 구성된다. 당분야의 기술인은 윙릿 장착부재(90)가 다양한 대체 구조로 제공될 수 있음을 분명히 인식할 수 있을 것이다.
도9는 윙릿(70)을 장착한 팬 블레이드(30)의 횡단면도이다. 이 횡단면도는 팬 블레이드(30)의 중심에 위치한 횡단면을 따라 절취된 윙릿(70)쪽으로(즉, 허브(10)로부터 멀어지는 방향으로) 보고 도시한 것이다. 이 예에서는 도9 및 도10에 도시한 바와 같이, 윙릿 장착부재(90)는 팬 블레이드(30 또는 90)의 일측 단부에 끼워지게 구성된다. 허브 장착부재(12)와 유사하게, 윙릿 장착부재(90)는 팬 블레이드(30 또는 50)의 보스(40 또는 60)에 대하여 안정적으로 들어맞게 설치되어 계합된다. 이 예에서는 윙릿(70)의 상부 가장자리(80)가 팬 블레이드(30 또는 50)의 상부면(32 또는 52) 위로 신장되며, 또한 앞전(36 또는 56) 넘어로 신장된다. 마찬가지로, 윙릿(70)의 하부 가장자리(78)는 팬 블레이드(30 또는 50)의 하부면(34 또는 54) 아래로 신장된다. 윙릿(70)의 후방 가장자리(82)는 팬 블레이드(30 또는 50)의 뒷전(38 또는 58) 넘어로 신장된다. 물론, 윙릿(70)과 팬 블레이드(30 또는 50)는 모두 다른 상대 크기 및/또는 구조를 가질 수 있다.
팬 블레이드(30 또는 50)는 팬 블레이드(30 또는 50)의 선단부 근방에서 상부면(32 또는 52) 및/또는 하부면(34 또는 54)을 통과하여 형성된 1개 이상의 트인구멍을 가질 수 있으며, 이 구멍은 윙릿 장착부재(90)가 팬 블레이드(30 또는 50)에 삽입되었을 때 윙릿 장착부재(90)에 있는 트인구멍(들)(100)과 일치하게 위치되며, 파스너(26)를 수용하는 크기이다. 따라서, 윙릿(70)이 1개 이상의 파스너(26)에 의해 팬 블레이드(30 또는 50)에 고정된다. 일 실시예에서, 파스너(26)는 볼트이다. 다른 실시예에서, 파스너(26)는 상보형의 쌍의 얇은 헤드 상호결합 나사, 예를 들면 많은 종이를 함께 감는데 흔히 사용되는 나사 포스트(예, 나사진 외부면을 가진 "수"나사를 나사진 내부면을 가진 "암"나사와 맞물리게 구성)를 포함한다. 그러나, 한정적이지 않은 기재로 접착제를 포함하는 그 밖에 다른 적당한 파스너(들)를 사용할 수도 있다. 따라서, 트인구멍(100)은 선택적인 사항인 것임을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 윙릿 장착부재(90)가 팬 블레이드(30 또는 50)의 단부 안으로 삽입되지 않아도 되는 것도 이해할 수 있을 것이다. 즉, 다르게 설명하면, 허브 장착부재(12)와 마찬가지로 윙릿 장착부재(90)는 팬 블레이드(30 또는 50)의 내측이 아니라 외측에 설치되게 제조될 수 있다. 선택적으로, 윙릿 장착부재(90)는 부분적으로는 팬 블레이드(30 또는 50)의 내측에 그리고 부분적으로는 팬 블레이드(30 또는 50)의 외측으로 양측에 설치될 수도 있다. 당분야의 기술인은 그외 다른 구조가 있을 수 있음도 이해할 수 있을 것이다.
다른 실시예에서는 윙릿(70)이 장착부재(90)를 없애고, 대신, 수직부재(72)의 내부면(74)에 오목부(recess)를 형성한다. 이 실시예에서는 팬 블레이드(30 또는 50)의 선단부를 윙릿(70) 내에 삽입하여 팬 블레이드(30 또는 50)에 윙릿(70)을 부착시킨다. 또 다른 실시예에서는 팬 블레이드(30 또는 50)를 윙릿(70)과 일체적으로 형성한다. 따라서, 당분야의 기술인은 윙릿(70)을 팬 블레이드(30 또는 50)에 설치하기 위한 다양한 구조가 있음을 예견할 수 있을 것이다.
수직부재(72)가 장착부재(90)에 대해 거의 직각을 이루고 있는 것을 도시하였지만, 상기 2개의 부재는 서로에 대해 어떤 적당한 각도로 있는 것이다. 따라서, 예를 들어, 윙릿(70)이 팬 블레이드(30 또는 50)에 부착되면 수직부재(72)가 내부 또는 외부방향으로 기울어질 수 있다. 선택적으로, 수직부재(72)는 여러 각도를 포함할 수 있다. 즉, 윙릿을 팬 블레이드(30 또는 50)에 부착하면, 수직부재의 상부부분과 수직부재의 하부부분이 각각 내부방향으로 기울어지게 수직부재(72)를 구성할 수 있다. 다른 윙릿(70)의 개조 예가 제한적이지 않은 기재로 각도 변화를 포함하는 것을 당분야의 기술인은 예견할 수 있을 것이다.
본원에서는 윙릿(70)이 팬 블레이드(30 또는 50)의 개조로 특정하게 기술되었지만, 윙릿(70)을 사용하여 어떤 다른 팬 블레이드를 변경할 수도 있다.
일 실시예에서, 윙릿(70)은 성형 플라스틱의 균질한 연속체로 형성된다. 그러나, 윙릿(70)은 제한적이지 않은 기재로 어떤 적당한 금속 및/또는 플라스틱을 포함하는 다양한 재료로 제조될 수 있으며, 복수개의 부품(piece)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 윙릿은 모든 적절한 제조방법으로 제조될 수 있는 것이다.
또한, 팬 블레이드(30 또는 50)의 선단부에 또는 그 근방에 발생하는 뒷전 와류(trailing vortices)는 팬 블레이드(30 또는 50)의 선단부 근방에 양력(lift)을 증가시킬 것이다. 윙릿(70)은 팬 블레이드(30 또는 50)의 선단부 근방에서 상부면(32 또는 52) 및/또는 하부면(34 또는 54)을 가로지르는 반경방향 공기흐름을 억제한다. 그런 억제에 의해 공기가 앞전(36 또는 56)에서 뒷전(38 또는 58)으로 보다 정상적으로 흘러가게 하여, 적어도 어떤 회전 속도에서 윙릿(70)을 가진 팬 블레이드(30 또는 50)가 있는 팬의 효율을 향상시킬 수 있다.
일 예에서, 윙릿(70)은 직경 6피트(1.8m)의 팬에 있는 팬 블레이드(30 또는 50)의 단부에 부착시키었다. 윙릿(70)을 추가하여, 팬의 공기 유량이 171rpm으로 4.8% 증가 되었다.
다른 예에서, 윙릿(70)은 직경 14피트(4.2m)의 팬에 있는 팬 블레이드(30 또는 50)의 단부에 부착시키었다. 윙릿(70)을 추가하여, 팬의 공기 유량이 75rpm으로 4.4% 증가 되었다.
아래의 2개의 표는 직경 14피트(4.2m)의 팬에 윙릿(70)을 추가하여 구한 효율을 나타낸 것이다.
윙릿(70)을 갖지 않은 팬
속도(rpm) 최대 Power(watt) 평균 Power(watt) 토오크 (in.lbs) 유량(cfm) 효율 (cfm/watt)
12.5 54 50 17.86 0 0
25 66 54 78.80 34,169 632.76
37.5 125 82 187.53 62,421 761.23
50 339 263 376.59 96,816 368.12
62.5 700 660 564.01 110,784 167.85
75 1170 1140 839.75 129,983 114.02
윙릿(70)을 가진 팬
속도(rpm) 최대 Power(watt) 평균 Power(watt) 토오크 (in.lbs) 유량(cfm) 효율 (cfm/watt)
12.5 50 42 18.56 26,815 638.45
25 58 43 18.39 46,547 1,082.49
37.5 68 49 186.00 61,661 1,258.39
50 241 198 354.61 87,552 442.18
62.5 591 528 582.78 120,859 228.90
75 980 950 847.41 136,560 143.75
물론, 윙릿(70)을 사용하여 다른 값을 구할 수도 있다. 또한, 당분야의 기술인이 이해할 수 있는 바와 같이, 제한적이지 않은 기재로, 윙릿을 적당히 변경하여 다른 윙릿 구조를 구할 수도 있다.
요약하면, 본원의 명세서에서는 본 발명의 개념을 사용하여 구해진 많은 이점들을 기술하였다. 본 발명의 상술된 여러 실시예들은 설명을 목적으로 기재된 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 상술된 설명을 기반으로 하는 첨부 청구범위의 정신을 이탈하지 않는 범위 내에서 이루어질 수 있는 다양한 변경 및 개조를 모두 포함하는 것이다.
10: 허브 18: 앞전
20: 뒷전 30, 50: 팬 블레이드
70: 윙릿 72: 수직부재

Claims (20)

  1. 회전하는 팬 허브에 장착되도록 구성되는 팬 블레이드에 있어서,
    상기 팬 블레이드는
    타원형 곡률을 구비하는 상부면;
    타원형 곡률을 구비하는 하부면;
    상부면과 하부면이 각각 종결되는 앞전; 및
    상부면과 하부면이 각각 종결되는 뒷전을 포함하며,
    상기 상부면의 곡률은 제1의 타원에 기초하고 상기 하부면의 곡률은 제2 타원에 기초하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  2. 청구항 제1항에 있어서,
    앞전에 인접하는 곡률의 제1반경과 뒷전에 인접하는 곡률의 제2반경을 추가로 포함하고, 상기 곡률의 제1반경은 상기 곡률의 제2반경보다 적은 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2타원의 곡률은 상기 제1타원의 곡률에 의존하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 중공인 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 팬 허브의 장착 부재를 수용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 적어도 하나의 파스너에 의하여 상기 팬 허브에 고정되는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 코드 및 최대 두께를 구비하고, 상기 최대 두께는 상기 코드의 대략 14.2%인 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 코드 및 최대 캠버를 구비하고, 상기 최대 캠버는 상기 코드의 대략 15.6%인 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 -1°와 13°를 포함하여 그 사이의 받음각으로 허브에 장착되는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 압출 알루미늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 4 피트와 14피트를 포함하여 그 사이의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 팬 블레이드의 전체 길이를 따라 일정한 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 허브 장착 단부를 구비하며 상기 팬 블레이드 앞전에서 상기 허브 장착 단부에 비스듬한 절단부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 팬 블레이드는 팬 블레이드의 전체 길이를 따라 일직선인 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  15. 제1항에 있어서,
    제1타원은 적어도 부분적으로 다음의 식에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
    x = a(COS(t)) - (1)
    y = b(SIN(t)) - (2)
    x 및 y는 제1 타원의 x-y 좌표를 제공하고, a = 제1반경 길이, b = 제2반경 길이, 그리고 t = 원점에 대한 반경 회전각이다.
  16. 제15항에 있어서,
    제2타원은 적어도 부분적으로 다음의 식에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
    x2 = x(COS(θ)) - y(SIN(θ)) - (3),
    y2 = y(COS(θ)) - x(SIN(θ)) - (4)
    x2 및 y2 는 제2 타원의 x-y 좌표를 제공하고, x와 y는 방정식 (1) 및 (2)를 사용하여 얻은 x 및 y와 동일하고, θ는 제1타원이 원점의 둘레를 회전한 각도이다.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 θ는 대략 0.525 라디안인 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  18. 제1항에 있어서,
    제1 타원과 제2타원은 공통의 그래프에서 그려질때 4개의 교차점에서 교차하고, 상기 상부면의 타원 곡률과 하부면의 타원곡률은 한 쌍의 교차점 사이의 영역에서 제1 타원 및 제2 타원 각각의 곡률에 기초하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  19. 회전하는 팬 허브에 장착되도록 구성되는 팬 블레이드에 있어서,
    상기 팬 블레이드는
    타원형 곡률을 구비하는 상부면; 및
    타원형 곡률을 구비하는 하부면을 포함하며,
    상기 상부면의 곡률은 제1의 타원에 기초하고 상기 하부면의 곡률은 제2 타원에 기초하고,
    제1 타원과 제2타원은 공통의 그래프에서 그려질때 4개의 교차점에서 교차하고, 상기 상부면의 타원 곡률과 하부면의 타원곡률은 한 쌍의 교차점 사이의 영역에서 제1 타원 및 제2 타원 각각의 곡률에 기초하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
  20. 회전하는 팬 허브에 장착되도록 구성되는 팬 블레이드에 있어서,
    상기 팬 블레이드는
    타원형 곡률을 구비하는 상부면; 및
    타원형 곡률을 구비하는 하부면을 포함하며,
    상기 상부면의 곡률은 제1의 타원에 기초하고 상기 하부면의 곡률은 제2 타원에 기초하고, 제2 타원의 형성은 제1타원의 형성에 기초하는 것을 특징으로 하는 팬 블레이드.
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