KR20140108442A - 축류팬의 스톨 감지 장치 - Google Patents

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Abstract

축류팬의 스톨 감지 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 축류팬의 스톨 감지 장치는 케이싱(casing)과; 상기 케이싱 내의 소정의 위치에서 회전함으로써, 상기 케이싱을 통해 기류가 송출되도록 하는 팬(fan)과; 상기 케이싱에 설치되며, 상기 팬의 전방과 상기 팬의 후방 간의 압력차를 이용하여 전기 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 압전체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

축류팬의 스톨 감지 장치{Stall detecting device}
본 발명은 축류팬의 스톨 감지 장치에 관한 것이다.
선박의 엔진룸 등에 공기를 공급하기 위해 축류팬(axial flow fan)이 널리 사용되고 있다. 종래의 축류팬은 고속으로 회전하여 엔진룸 등에 공기를 공급하게 된다.
축류팬을 엔진룸 등에 설치할 경우, 팬의 앞단과 뒷단에는 예상치 못한 덕트 손실(duct loss)이 발생할 수 있으며, 이에 따라 축류팬의 효율 감소, 소음 증대, 진동으로 인한 파손 등이 예상된다. 이러한 현상들은 축류팬에서 일어나는 이른바 '회전 스톨(rotation stall)'에 의한 것이라고 알려져 있다.
도 1은 엔진룸 등에 널리 사용되는 축류팬의 유동 해석 결과를 유량별로 나타낸 것이다. 도 1의 (a)는 유량(flow rate)이 2,450m3/min인 경우로서, 디자인한대로 축류팬의 블레이드 단부에서의 팁 리키지 보텍스(tip leakage vortex)가 인접한 블레이드(adjacent blade)에 간섭되지 않고 깨끗한 유동장을 나타냄을 알 수 있다.
그러나, 도 1의 (a)와 같이 설계된 축류팬이라 하더라도, 실제로 엔진룸 등에 설치되어 주변의 부수적인 압력 손실(pressure loss) 인자들의 영향을 받게 되면, 도 1의 (b), (c), (d)와 같이 유량이 감소하게 되는데, 도 1의 (b)와 같이 유량이 2,000m3/min인 경우에는 리버스 플로우 리전(reverse flow region)이 보여지지는 않지만, 팁 리키지 보텍스가 인접한 블레이드에 간섭을 일으키는 현상이 나타나기 시작한다.
나아가, 도 1의 (c)(유량이 1,600m3/min이 경우)나 도 1의 (d)(유량이 1,200m3/min이 경우)와 같이 유량이 감소하게 되면 팁 리키지 보텍스의 영향으로 인하여 큰 규모로 리버스 플로우 리전이 광범위하게 발생하며, 팬의 허브(hub) 구간에도 스톨(stall)이 발생하게 된다.
스톨 현상이 발생하면 모든 블레이드는 회전함에 따라 리버스 플로우 리전과 간섭되게 되며, 이로 인하여 발생하는 난류 소음과 진동에 의해 팬 블레이드가 파손에 이르는 경우도 발생하게 된다.
종래에는 축류팬의 스톨 현상을 방지하기 위해, 도 2에 도시된 것처럼, 케이싱의 블레이드(1) 주변에 링(ring) 형상의 구조(3)를 부가하는 기술이 적용되었으나, 링 구조를 부가하기 위해서는 케이싱의 전체적인 형상을 다시 설계 및 제작해야 한다는 문제가 있다.
한편, 도 3은 축류팬의 유량이 감소함에 따라((a) : 2,450m3/min, (b) : 2,000m3/min, (c) : 1,600m3/min, (d) : 1,200m3/min), 팬 블레이드(fan blade)를 감싸고 있는 케이싱에서의 압력 분포 변화를 나타낸 것이다. 도 3의 (c), (d)의 경우 스톨 현상이 발생한 것으로 판단할 수 있으며, 이 경우 팬 블레이드의 전방과 후방 사이에 큰 압력차가 형성됨을 알 수 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한편, 미국등록특허 US6,302,640호에는 축류팬의 스톨을 방지하기 위해 블레이드 주변의 케이싱에 링을 삽입한 구조가 개시되어 있고, 미국공개특허 US2012/0219398호에는 에어 플로우에서 음향 측정을 통해 축류팬의 스톨을 감지하는 방법으로서, 팬에 인접한 플로우로부터 발하는 음을 측정하는 단계, 작동 변수의 범위 내에서 팬의 성능을 나타내는 복수의 테스트치로부터 도출된 고정 비주얼 표시의 라이브러리와 비교하는 단계, 상기 음에 대한 비주얼 표시와 가장 근사한 고정 비주얼 표시를 선택하는 단계, 선택된 고정 비주얼 표시로부터 제어 신호를 도출하는 단계를 포함하는 스톨 감지 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 미국등록특허 US6,302,640호 특허문헌 2 : 미국공개특허 US2012/0219398호
본 발명은, 팬 블레이드의 회전에 의해 케이싱에서 발생하는 주기적인 압력차를 이용하여 하베스팅한 에너지를 이용하여 축류팬의 스톨 현상을 감지할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 케이싱(casing)과; 상기 케이싱 내의 소정의 위치에서 회전함으로써, 상기 케이싱을 통해 기류가 송출되도록 하는 팬(fan)과; 상기 케이싱에 설치되며, 상기 팬의 전방과 상기 팬의 후방 간의 압력차를 이용하여 전기 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 압전체를 포함하는 축류팬의 스톨 감지 장치가 제공된다.
상기 압전체는 세라믹-폴리머 복합 소재로 이루어진 압전 소자를 포함할 수 있다.
상기 팬의 후방에 설치되는 가압판과, 일단부가 상기 가압판에 연결되는 링크 구조를 포함하며, 상기 압전체는 상기 링크 구조의 타단부에 결합될 수 있다.
상기 압전체에 축적된 전기 에너지의 양으로부터 상기 팬의 스톨(stall) 여부를 판단하는 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
상기 팬은 소정의 코드 길이(chord length)를 가지는 복수의 블레이드(blade)를 포함하고, 상기 압전체는 상기 블레이드의 리딩 에지(leading edge)의 위치에 상응하여 소정의 영역에 걸쳐 설치될 수 있다.
상기 압전체가 설치되는 영역은, 상기 블레이드의 리딩 에지의 위치로부터 상기 팬의 전방쪽으로 상기 블레이드의 코드 길이만큼의 거리에 상응할 수 있다.
상기 압전체가 설치되는 영역은, 상기 블레이드의 리딩 에지의 위치로부터 상기 팬의 후방쪽으로 상기 블레이드의 코드 길이만큼의 거리에 상응할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 팬 블레이드의 회전 과정에서 케이싱에서 발생하는 주기적인 압력차를 이용하여 전기 에너지를 하베스팅하고, 축적된 에너지 값을 이용하여 축류팬의 스톨 현상을 감지할 수 있다.
또한, 축적된 에너지의 양에 따라, 축류팬이 스톨 현상에 의해 파손되기 전에 미리 유체 기계의 작동을 멈추도록 함으로써, 장비의 유지 관리 성능을 높일 수 있다.
또한, 팬 블레이드의 팁 부분에 발생하는 압력차를 압전 소자를 이용하여 전기 에너지로 변환하기 때문에, 3차원 유동장이 블레이드 팁 근처를 지나가면서 발생하는 주파수(blade passing frequency)의 소음을 압전체 설치 구조가 흡수해 주는 효과도 있다.
도 1은 축류팬의 유동 해석 결과를 나타낸 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 축류팬의 구조를 나타낸 단면도.
도 3은 축류팬의 유량에 따른 케이싱의 압력 분포 변화를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 축류팬의 스톨 감지 장치를 나타낸 단면도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전체의 설치 위치를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류팬의 스톨 감지 플로우를 나타낸 순서도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 축류팬의 스톨 감지 장치를 나타낸 단면도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전체의 설치 위치를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 케이싱(100), 팬(110), 블레이드(120), 압전체(130), 가압판(140), 링크 구조(150)가 도시되어 있다.
본 실시예는 압전 소자를 이용한 스톨 감지 시스템(stall detection system)을 특징으로 한다.
본 실시예는 도 3에 도시된 것처럼 팬 블레이드의 로딩(loading)에 의해 케이싱에서 발생하는 주기적인 압력차를 이용하여 에너지를 축적(harvesting)하고, 축적된 에너지를 이용하여 축류팬의 스톨 현상을 센싱(sensing)함으로써, 축류팬의 스톨에 의한 진동, 소음 및 파손을 사전에 방지하기 위한 것이다.
압전체는 압력(pressure)의 변동력을 전기로 바꾸는 역할을 하는데, 일례로 압전체의 진동판을 사용하여 사람이 이동할 때 발생하는 진동으로부터 전기를 발생시키는 경우도 있다.
압전 발전판의 경우 가로 X 세로 X 두께가 각각 0.2m X 0.3m X 0.03m이라 할 때, 60kg(약 600N)의 체중을 가진 사람이 보행하면서 압전 발전판을 가압한다고 하면, 약 0.3~0.5W(10,000Pa)급의 발전을 할 수 있다고 한다.
이를 이용하여 사람의 이동이 잦은 통행로나 지하철의 개찰구 등에 압전 발전판을 설치하여 하루 약 6000Ws 전력을 생산하는 사례도 있다.
본 실시예는, 도 4에 도시된 것처럼 축류팬의 블레이드가 설치된 위치의 케이싱 월(casing wall)에 압전체를 부착함으로써, 축류팬에서의 주기적인 압력 변동으로부터 에너지를 수확하도록 한 것이다.
예를 들어, 축류팬에서 주기적인 압력 변동이 발생하는 '박리 영역'(도 5의 붉은색 박스 영역)의 크기는 약 4.8m×0.1m일 수 있는데, 이 경우 두께 0.03m의 압전체 진동판을 설치하면, 블레이드에 의한 케이싱에서의 압력장 변화가 500Pa 내지 4,000Pa임을 고려할 때, 하기 식 (1)로부터 약 0.1~1W의 발전량을 얻을 수 있는 경우가 있다.
압전 발전량(J)= 0.5×진동모드별 형상 factor×소재성능지수×압전볼트상수×Force^2 (1)
축류팬에 설치된 압전체에 의한 발전량은 미미하지만, 압전체에 축적된 전기 에너지를 전원으로 활용하는 대신, 스톨 발생 여부를 판단할 수 있는 센싱값으로 활용할 수 있다.
즉, 압전체에 수확된 전력량에 따라 축류팬의 스톨 발생 여부를 사전에 파악하여, 초기 스톨이 회전 스톨(rotating stall)까지 발전하여 축류팬의 파손에 도달하는 것을 미리 파악 및 방지할 수 있는 것이다.
예를 들어, 전술한 사례에서 해석한 유체 기계의 경우 약 0.25W 이상의 발전량이 얻어졌을 때 축류팬이 스톨에 도달하였음을 모니터링할 수 있다.
본 실시예에 따른 축류팬은 원통 형상의 케이싱(100) 내에 소정의 위치에서 팬(110)이 회전하는 구조로 구성되며, 팬(110)의 회전에 따라 케이싱(100)을 통해 기류가 송출되게 된다.
본 실시예에 따른 축류팬의 스톨 감지 장치는, 케이싱에 압전체가 설치된 것을 특징으로 하는데, 압전체는 팬(110)의 전방(기류가 유입되는 쪽)과 후방(기류가 유출되는 쪽) 간의 압력차를 이용하여 전기 에너지를 하베스팅(harvesting)하게 된다.
본 실시예에 따른 압전체로는 세라믹-폴리머 복합 소재로 이루어진 다양한 압전 소자가 사용될 수 있다.
도 4는 케이싱(100)에 압전체(130)가 설치된 구조의 일례를 예시한 것이다. 전술한 것처럼, 축류팬에서 팬(110) 블레이드의 전방은 압력이 낮고 후방은 압력이 높아 팬(110) 블레이드를 기준으로 압력차가 존재하게 된다.
이러한 압력차를 이용하여 압전체(130)를 작동시키기 위해, 본 실시예에서는 팬(110)의 후방(압력이 높은 쪽)의 케이싱(100) 월에 가압판(140)을 설치하여, 팬(110)의 회전 과정에서 압력이 높아질 경우 가압판(140)이 눌려지도록 할 수 있다.
도 4에 도시된 것처럼 케이싱(100) 내에는 링크 구조(150)가 설치될 수 있는데, 링크 구조(150)의 일단부는 전술한 가압판(140)에 연결되고, 링크 구조(150)의 타단에는 압전체(130)가 결합될 수 있다.
따라서, 팬(110)의 회전에 따라 후방의 압력이 높아지면 가압판(140)이 눌리게 되고, 그 결과 링크 구조(150)가 작동하여 타단부에 결합된 압전체(130)를 가압하게 된다. 이에 따라 압전체(130)에서 발전이 이루어지게 된다.
팬(110)의 회전에 따라 이와 같은 과정이 반복되고, 이에 따라 압전체(130)에는 소정의 전기 에너지가 축적된다. 도 3을 참조하여 설명한 것처럼, 블레이드(120)의 전방과 후방 사이에서 주기적인 압력차가 형성되는 경우는 축류팬에 스톨 현상이 발생하는 경우로 볼 수 있으므로, 압전체(130)에 축적된 전기 에너지의 양이 소정의 기준치를 초과하게 되면 축류팬에 스톨 현상이 발생한 것으로(또는 발생할 것으로) 판단할 수 있다.
이를 위해, 본 실시예에 따른 스톨 감지 장치에는 모니터링부(미도시)가 더 구비될 수 있는데, 모니터링부는 압전체(130)에 축적된 전기 에너지의 양에 관한 신호를 수신하고, 이를 미리 설정된 기준치와 비교하여 축류팬에 스톨 현상이 발생할 것인 것, 또는 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다.
압전체(130)에는 미미하지만 전기 에너지가 축적되므로, 하베스팅한 전력량에 관한 신호를 송출하는 데에 축적된 전력을 활용할 수 있다. 예를 들어, 압전체(130)에 0.25W의 전력이 축적되어 있다고 할 때, 그 중 1mW의 전력을 사용하여 축적된 전기 에너지의 양에 관한 정보를 무선으로 송출할 수 있다.
전술한 모니터링부는 압전체(130)로부터 송출된 무선 신호를 수신하여, (무선 송출에 사용된 전력량을 감안하여) 축류팬의 스톨 여부를 감지(detecting)할 수 있다.
한편, 전술한 것처럼 가압판(140), 링크 구조(150) 및 압전체(130)는 팬(110)의 전방 및/또는 후방의 케이싱(100) 월 부분에 설치되어, 팬(110)의 회전 과정에서 발생하는 압력차에 의해 작동될 수 있다.
여기에서는 압전체(130) 등이 케이싱(100) 월의 어느 영역에 걸쳐 설치되는 것이 압전체(130)의 에너지 하베스팅에 보다 효율적인지에 대하여 설명한다.
팬(110)에 방사상으로 결합되어 있는 복수의 블레이드(120)는 소정의 코드 길이(chord length)를 가지는데, 본 실시예에 따른 압전체(130) 등은 블레이드(120)의 리딩 에지(leading edge)의 위치를 원점이라 할 때, 하기 식 (2) 및 (3)에 의해 결정되는 영역에 걸쳐 설치될 수 있다.
Xmin = 0점 - Chord length (2)
Xmax = 0점 + Chord length (3)
여기서,
Xmin : 압전체 설치 시작점(압전체 설치 영역의 팬의 전방쪽 최대 거리)
Xmax : 압전체 설치 끝점(압전체 설치 영역의 팬의 후방쪽 최대 거리)
0점 : 블레이드의 리딩 에지에 상응하는 케이싱 월(wall)상의 지점
Chord length : 블레이드의 코드 길이
이처럼, 본 실시예에 따른 압전체(130) 등은 블레이드(120)의 리딩 에지의 위치를 기준으로 전방으로 코드 길이만큼, 후방으로 코드 길이만큼 떨어진 거리의 영역(도 6의 붉은색 박스 영역 참조) 내에 설치될 수 있다.
즉, 팬(110)의 회전에 따라 전방과 후방 사이의 압력차가 커지는 영역이 블레이드(120)의 리딩 에지의 위치를 기준으로 전후방으로 각각 코드 길이만큼 떨어진 거리의 영역이므로, 상기 영역 내에 압전체(130)를 설치함으로써 보다 효과적으로 전기 에너지를 하베스팅할 수 있다.
한편, 케이싱(100)의 원주 방향으로는 도 4에 예시된 것과 같은 압전체 구조를 그 수에 제한 받지 않고 자유롭게 설치할 수 있다.
이상을 설명한 바와 같이, 본 실시예는 기계실(machinery room) 등에서 널리 사용되고 있는 축류팬의 블레이드(120)에서 발생하는 스톨 현상을, 압전 소자를 이용하여 하베스팅한 전력량으로 센싱하는 개념을 특징으로 한다.
즉, 축류팬의 전방과 후방 사이에는 압력차가 존재하는데, 본 실시예는 압전 소자를 사용하여 이러한 압력차를 에너지로서 하베스팅하여 축류팬의 스톨 여부를 감지하는 기술이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류팬의 스톨 감지 플로우를 나타낸 순서도이다.
도 7에서 보는 바와 같이, 축류팬의 회전에 의해 블레이드(120)의 전방과 후방 사이에 압력차가 형성된다(S100).
압전체(130)는 이러한 압력차를 이용하여 전기를 생산한다(S200). 압전체(130)는 전술한 식 (1)에서 볼 수 있듯이, 압력차에 크기의 제곱에 비례하여 전력을 생산하게 된다.
생산된 전력은 무선(wireless) 상태로 전파를 송출하여 모니터링을 할 수 있으며(S300), 압력차가 스톨 상태에 도달했다고 판단되는 전력을 생산할 경우(S400), 축류팬을 정지시켜 유지 보수함으로써(S500) 스톨을 방지할 수 있으며, 스톨에 의한 소음 및 파손을 사전에 예방할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 케이싱 110 : 팬
120 : 블레이드 130 : 압전체
140 : 가압판 150 : 링크 구조

Claims (5)

  1. 케이싱(casing);
    상기 케이싱 내의 소정의 위치에서 회전함으로써, 상기 케이싱을 통해 기류가 송출되도록 하는 팬(fan); 및
    상기 케이싱에 설치되며, 상기 팬의 전방과 상기 팬의 후방 간의 압력차를 이용하여 전기 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 압전체를 포함하는 축류팬의 스톨 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팬의 후방에 설치되는 가압판; 및
    일단부가 상기 가압판에 연결되는 링크 구조를 더 포함하며,
    상기 압전체는 상기 링크 구조의 타단부에 결합되는 축류팬의 스톨 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전체에서 생산되는 전기 에너지의 양으로부터 상기 팬의 스톨(stall) 여부를 판단하는 모니터링부를 더 포함하는 축류팬의 스톨 감지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팬은 소정의 코드 길이(chord length)를 가지는 복수의 블레이드(blade)를 포함하고,
    상기 압전체는 상기 블레이드의 리딩 에지(leading edge)의 위치에 상응하여 소정의 영역에 걸쳐 설치되는 축류팬의 스톨 감지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압전체가 설치되는 영역은, 상기 블레이드의 리딩 에지의 위치로부터 상기 팬의 전방쪽으로는 상기 블레이드의 코드 길이만큼의 거리에 상응하며, 상기 블레이드의 리딩 에지의 위치로부터 상기 팬의 후방쪽으로는 상기 블레이드의 코드 길이만큼의 거리에 상응하는 축류팬의 스톨 감지 장치.
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