KR20140119488A - 축류팬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 허브; 및 상기 허브에 방사상 배치되는 복수의 날개를 포함하되, 상기 날개는 전연, 후연, 상기 전연과 후연 사이에 형성되는 부압면 및 상기 부압면에 이격되어 형성되는 정압면으로 이루어지는 축류팬에 있어서, 상기 전연에는 공기 흐름을 분기하는 노우즈가 형성되고, 상기 부압면은 상기 노우즈의 상면으로부터 연장된 제1표면으로 구비되며, 상기 정압면은 상기 노우즈의 하면으로부터 단차 형성되는 제2표면으로 구비되되, 상기 노우즈의 하면과 상기 제2표면을 연결하는 제1단차부 및 상기 제2표면의 후단에 돌출 형성되는 제2단차부를 포함하는 것을 특징으로 하는 축류팬에 관한다. 본 발명의 축류팬에 의하면, 팬의 중량을 절감시킴과 동시에 항력, 소비동력 및 소음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

축류팬 {Axial Fan}

본 발명은 축류팬에 관한 것으로서, 팬의 중량을 절감시킴과 동시에 항력, 소비동력 및 소음을 감소시킬 수 있는 소정의 정압면을 형성하는 축류팬에 관한다.

차량의 공조장치에 사용되는 열교환기 등은 방열 효율을 향상시키기 위하여 공기를 강제 송풍할 수 있는 축류팬(Axial Fan)이 설치된다. 축류팬은 일반적으로 회전을 위한 모터 등의 구동수단과 함께 팬쉬라우드 내에 배치되어 팬 조립체(fan assembly)를 이룬다. 이 때, 날개(blade)가 차지하는 무게는 축류팬 무게의 상당량에 해당한다.

도 1은 종래 축류팬의 날개 단면을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 통상적인 축류팬의 날개 단면은 공기 유동이 시작되는 전연으로부터 후연까지의 사이에 정압면(pressure surface)과 부압면(suction surface)이 형성되어 이루어진다. 공기역학적 원리에 의해 정압면으로부터 부압면 방향으로 압력이 발생하고, 날개들은 허브에 방사상 배치되어 있으므로 공기의 강제송풍이 발생된다.

본원 출원인에 의한 대한민국 공개특허공보 제2005-0093343호, 제2007-0079905 등을 살펴보면, 정압면과 부압면이 소정의 곡면으로 형성되고, 휨각을 증감시킴으로써 효율을 높일 수 있거나 소음을 감소시킬 수 있는 축류팬이 알려져 있다.

한편, 종래 축류팬을 이루는 에어호일 섹션의 형상을 그대로 유지한 채, 두께만을 줄여(슬림화하여) 무게를 감소시키는 경우, 오히려 풍량 저하가 초래되어 소비동력이 증가한다. 또한, 고주파 영역대의 소음이 증가되는 문제점이 발생된다. 이에 관하여 대한민국 등록특허 제10-0829642호 등에서는 날개의 전연 두께를 더 두텁게 형성하는 기술이 알려진 바 있다.

그러나, 상술한 종래 기술들에 따르면 여전히 축류팬의 무게가 상대적으로 크며, 동일 회전영역(RPM)에 대비하여 풍량이 높지 아니하며, 공기가 빠져나가며 초래되는 항력(drag force)에 의해 소비동력이 저하되는 문제점이 상존해 있다.

즉, 공기가 물체의 표면을 따라 층류를 이루며 유동하다가 임계지점을 지나면 물체 표면으로부터 떨어져 나와 난류(turbulance)와 웨이크(wake)를 형성하게 되며, 난류와 웨이크는 물체를 뒤로 끌어당기는 드래그 현상인 항력(drag force)을 발생시킨다. 이 때, 골프공과 같이 물체의 표면에 딤플(dimple)이 형성되면 난류와 웨이크가 감소 내지 안정화되어 항력 감소 효과가 발생하기도 한다.

1. 대한민국 공개특허공보 제2005-0093343호 2. 대한민국 공개특허공보 제2007-0079905호 3. 대한민국 등록특허공보 제10-0829642호

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하고자 한 것으로서, 무게를 보다 절감시키면서도 종래 회전영역에 대비하여 증대된 풍량으로 소비동력을 절감시킬 수 있는 축류팬을 제공하고자 한다. 또한, 압력분포를 균일화하여 소음을 절감시키는 것을 발명의 목적으로 한다.

본 발명은 허브 및 복수의 날개를 포함하되, 전연과 후연 사이에 형성되는 부압면 및 정압면으로 이루어지는 축류팬에 있어서, 공기 흐름을 분기하는 노우즈의 상면으로부터 연장된 제1표면에 의해 부압면이 구비된다. 한편 정압면은 노우즈의 하면으로부터 소정 높이로 요입 형성되는 제2표면이 부압면에 소정 거리만큼 이격되어 구비되도록 하되, 제2표면의 전단에는 노우즈의 하면과 제2표면의 전단을 연결하여 공기 유동을 원활하도록 하는 제1단차부가 구비된다. 나아가, 제2표면의 후단에는 제2표면의 후단으로부터 소정 높이로 돌출 형성되는 제2단차부에 의해 공기 유동을 박리하도록 한다.

바람직하게는 제1단차부는 제1전면과 제1후면으로 이루어지는 제1변곡면으로 구비될 수 있다.

또한, 제2단차부는 부압면으로부터 소정 두께로 형성된 단차면 및 단차면과 제2표면의 후단을 상호 연결하는 유동박리면을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 유동박리면은 제2전면과 제2후면을 포함하는 제2변곡면으로 구비될 수 있다. 또한, 유동박리면은 제2표면과 단차면을 연결하는 경사면으로 구비될 수도 있다.

또한, 제1변곡면 및/또는 제2변곡면은 날개의 익근으로부터 날개의 익단으로까지 연속적으로 배치될 수 있다.

나아가, 익현길이와 대비하여, 제1변곡면을 형성하기 위한 제1기준점 및 제2변곡면을 형성하기 위한 제2기준점의 위치 범위를 특정함에 따라 본 발명에 따른 효과를 더욱 배가시킬 수 있다.

또한, 가상의 선으로부터 구해진 최대이격두께와 대비하여 제1변곡면 및 제2변곡면의 제1라운드값 및 제2라운드값의 범위를 특정함에 따라 본 발명에 따른 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 제1기준점의 제1두께와 제2기준점의 제2두께의 상대적 비율을 특정함에 따라 본 발명에 따른 효과를 향상시킬 수 있다. 아울러, 제1표면과 제2표면의 이격 거리가 후연 방향으로 갈수록 감소하도록 하여 제2단차부가 돌출되도록 형성할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 익현길이를 소정의 제1파형으로 증감하도록 하고, 축류팬의 수평면과 이루는 설치각은 소정의 제2파형으로 증감하도록 하되, 익현길이가 최대인 지점에서 동시에 설치각이 최소가 되도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 축류팬은 슬림화된 에어호일 섹션 형상으로 인하여 축류팬의 전체 중량을 감소시키는 효과가 있다. 즉, 전연 측에서 유입된 공기유동이 제1단차부에서는 분리되지 아니하고 정압면을 타고 흐르도록 함으로써 정압(또는 양력)이 상승된다. 또한, 제2단차부에서는 유동이 박리되어 항력이 감소된다.

이로써 종래 기술과 대비하여 동일 회전영역 대에서 풍량이 증대하여 소비동력이 감소되며, 무게절감의 효과가 있다. 또한, 에어호일 섹션 형상 또는 익현길이와 설치각의 조정으로 인해 압력분포가 균일하게 되어 소음이 감소되는 장점이 있다.

도 1은 종래 축류팬의 날개 단면을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 축류팬의 사시도.
도 3은 도 2의 I-I' 방향에서 바라본 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 축류팬의 저면도.
도 5는 본 발명의 실시예를 구성하는 제1단차부의 부분 확대도.
도 6은 본 발명의 실시예를 구성하는 제1기준점의 범위를 나타내는 단면도.
도 7은 본 발명의 실시예를 구성하는 제2단차부의 부분 확대도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예를 구성하는 제2단차부의 부분 확대도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 축류팬의 익현길이와 설치각을 나타내는 도표.
도 10은 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 축류팬의 유동특성 실험 사진.
도 11은 본 발명의 구성요소 변화값에 따른 실험결과 도표.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 본 명세서 및 도면에 근거한 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 이하 본 발명을 첨부한 도면을 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 축류팬을 위로부터 내려다 본 사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 축류팬(1)은 복수의 날개(blade, 10)들이 허브(hub, 30)의 외측면에 방사상으로 배치되는데, 허브(30)와 접하는 날개의 접면을 익근(root of blade, 103)이라 칭한다. 바람직하게는, 복수의 날개(10)들은 팬밴드(50)에 의해 고정될 수 있으며, 이 때, 날개(10)와 팬밴드(50)가 접하는 날개의 접면을 익단(tip of blade, 104)이라 칭한다.

익근(103)으로부터 익단(104)까지는 부압면(140) 및 도 3에 도시된 정압면(170)이 구비된다. 부압면(140)과 정압면(170)이 맞닿는 접선 중에서 축류팬의 회전방향 측을 전연(LE : Leading Edge, 101)이라 칭하고, 회전 반대방향 측을 후연(TE : Tailing Edge, 102)라 칭하기로 한다.

도 3은 도 2의 I-I' 방향에서 바라본 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 축류팬의 단면인 에어호일 섹션(airhoil section, 105)은 전연(101)과 후연(102) 사이에 부압면(140)과 정압면(170)이 형성된다.

이때, 본 명세서에서의 에어호일 섹션(105)은 익근으로부터 익단 사이의 소정 구간에서 미세폭을 갖는 적분학상 의미로 이해되는 것이 바람직하며, 제1표면/제2표면/제1변곡면/제2변곡면 등에 사용된 ‘면(surface)’은 익근으로부터 익단 사이의 소정 구간에서의 미세폭과 선분(line)으로 형성되는 것으로 정의하기로 한다.

도 3을 참조하면, 전연(101)에 접하여 노우즈(120)가 형성되며, 노우즈는 공기 흐름을 최초 분기하는 구성이며, 노우즈의 상면(122)으로부터 연장된 제1표면(142)에 의하여 부압면(140)이 구비된다.

또한, 정압면(170)은 제1단차부(160), 제2표면(172) 및 제2단차부(180)를 포함하여 기존의 날개 단면보다 얇은 값을 갖는 새로운 에어호일 섹션을 제공한다.이 때, 제2표면(172)은 부압면(140)과의 이격 거리가 노우즈(120)의 최대 두께보다 얇도록 형성된다. 즉, 제2표면(172)은 노우즈의 하면(124)으로부터 부압면을 향한 방향으로 요입(凹入)되어 단차지게 형성된다. 제1단차부(160)는 노우즈(120)의 하면(124)과 제2표면(172) 사이를 연결하도록 배치되며, 공기가 노우즈의 하면, 제1단차부(160) 및 제2표면(172)을 따라 효과적으로 유동되기 위한 형상으로 구비된다.

또한, 제2표면(172)의 후단에는 후연(102) 방향으로 제2단차부(180)가 구비된다. 제2단차부(180)는 제2표면(172)의 후단에 구비되되, 부압면으로부터 멀어지는 방향으로 돌출되는 형상이며, 공기 유동을 박리시키는 작용을 수행한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 축류팬을 구성하는 제1표면(142), 노우즈의 상면(122) 및 하면(124)은 종래 축류팬에 사용되는 수치를 사용하였다. 다만, 이러한 수치 외에 풍량 효율을 더욱 좋게 할 수 있는 노우즈(120) 및/또는 제1표면(142)의 수치값을 변형 사용할 수 있음은 물론이다.

이 때, 가상의 점선(L1)은 종래 축류팬에 적용된 정압면을 나타내는 가상선 L1이며, 일점 쇄선으로 도시된 가상선(AL)은 전연(101)과 후연(102)을 연결하는 가상선으로서 축류팬의 수평면선(H)과 이루는 각을 설치각(θ)이라 칭하기로 한다.

또한, 본 명세서에서는 전연과 후연으로부터 설정된 가상선(AL)로부터 전연(101)과 직교하여 그어진 가상선을 수직선(V_A), 전연과 후연으로부터 설정된 가상선(AL)로부터 후연(102)과 직교하여 그어진 가상선을 수직선(V_B) 라고 하고, 수직선(V_A)와 수직선(V_B) 사이의 폭을 익현길이(CL : Chord Length)라 칭하기로 한다.즉, 익현길이(CL)는 허브(30)로부터 동일 반경하에 있는 날개(100)의 길이에 해당하는 값이다. 한편, 가상선(L1)과 부압면(140)이 이루는 이격 거리에 관하여 가장 폭이 넓은 지점의 두께를 최대이격두께(Tmax)라 지칭하기로 한다.

도 3을 참조하면, 가상선(L1)의 소정 지점들에서 수직으로 도시된 일점쇄선인 가상선 L2와 가상선 L3 사이의 구간에는 제1단차부(160)가 노우즈의 하면(124)과 정압면의 제2표면(172)을 부드럽게 연결되도록 형성된다. 이 때, 제1표면과 제2표면의 최소 이격거리와 대비해서는 노우즈(120)의 최대 두께는 이에 대한 대략 2~3배인 것이 좋다.

한편, 가상선 L4와 가상선 L6 사이에는 제2단차부(180)가 형성된다. 바람직하게는, 후술할 도 7을 참조하면, 제2단차부(180)는 제2변곡면(182) 및 단차면(184)을 포함하여 구비될 수 있다. 이 때, 제2변곡면(182)은 가상선 L4와 가상선 L5 사이의 제2표면(172)과 단차면(184)를 연결하도록 형성되며, 단차면(184)은 가상선 L5와 가상선 L6 사이에 형성되는 면에 형성될 수 있다. 이 때, 제2단차부(180), 특히 단차면(184)과 부압면이 이루는 폭을 두께 te라 지칭하기로 한다. 두께 te는 실질적으로 동일하게 구비될 수도 있으나, 가상선 L5에서 L6 사이에서 적절한 두께로 소정 폭 변화할 수 있음은 물론이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 축류팬(1)의 저면도이다. 도 4를 참조하면, 회전방향인 전연(101)으로부터 각각 소정 간격으로 노우즈(120)의 하면, 제1단차부(160), 제2표면(172), 제2단차부(180) 및 후연(102)이 순차적으로 배치되어 날개의 정압면(170)을 구성한다.

바람직하게는 도 4에 도시된 바와 같이 노우즈(120), 제1단차부(160) 및/또는 제2단차부(180)가 날개의 익근으로부터 익단까지 연속적으로 배치되는 것이 중량 감소면에서 좋다. 한편, 이러한 연속적인 배치외에도 익근과 익단 사이의 소정 구간에만 적용되거나, 적어도 2이상의 구간들에 부분적(또는 간헐적)으로 적용되는 경우도 본 발명의 범주에 속함은 물론이다.

바람직하게는, 도 4에 도시된 바와 같이 노우즈(120), 제1단차부(160) 및/또는 제2단차부(180)가 익현길이에 대비하여 소정의 비율을 갖고 증감되는 것이 바람직하다(이에 대해서는 도 6 및 도 7에서 후술). 한편, 이렇게 익현길이에 대비하여 소정의 비율로 증감되도록 하지 않고 전연과 후연 각각에 대해 일정한 폭으로 노우즈(120), 제1단차부(160) 및/또는 제2단차부(180)가 배치되는 경우도 본 발명의 범주에 속함은 물론이다.

도 5는 본 발명의 구성하는 제1단차부(160)의 일실시예를 나타내는 부분 확대도이다. 도 5를 참조하면, 정압면(170)의 제2표면(172)에서 전연(101)으로 연장되어 점선으로 표시된 가상선 L8에 대하여 소정 지점에 제1기준점(S1)이 표시되어 있다. 제1기준점은 제2표면(172)의 시작점에 인접하면서 제1단차부(160)의 제1변곡면(162)을 형성하기 위한 기준이 되는 지점을 지칭한다.

보다 상세하게는, 제1기준점(S1)으로부터 가상선 L1과 수직으로 가상선 HL을 도시하였을 때, 부압면과 제1기준점(S1)이 이루는 이격 거리를 제1두께(t1)이라 칭하기로 한다. 이 때, 제1두께(t1)은 최대이격두께(Tmax)의 20%~50% 사이의 값으로 형성되는 것이 바람직하다.

바람직한 일실시예로서, 제1단차부(160)는 노우즈의 하면(124)로부터 제2표면(172) 사이의 구간에서 제1변곡면의 제1전면(162a)과 제1변곡면의 제1후면(162b)으로 이루어지는 제1변곡면(162)으로 구비될 수 있다. 더욱 바람직하게는 제1전면(162a)과 제1후면(162b)은 제1탄젠셜 포인트(tp1)를 경계로 탄젠셜(tangential)한 부드러운 곡선으로 연결되도록 함으로써 노우즈(120)의 하면으로부터 제2표면(172)을 타고 공기의 유동이 원활히 이뤄지도록 한다.

즉, 제1변곡면(162)은 소정의 제1라운드값(R1)으로 형성되어 공기 유동의 흐름이 정압면(170)으로부터 분리되지 않도록 할 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1기준점(S1)으로부터 가상선 L1에 내린 수선 HL 상에 제1탄젠셜 포인트(tp1)이 위치하고 있다. 제1변곡면의 제1전면(162a)은 라운드값 R₁(a)을 갖는 가상 원 C₁(a)의 부분적인 호(arc)에 해당한다. 또한, 제1변곡면의 제1후면(162b)은 라운드값 R₁(b)를 갖는 가상 원 C₁(b)의 부분적인 호(arc)에 해당한다.

제1라운값(R1)을 구성하는 라운드값 R₁(a) 및 라운드값 R₁(b)은 각각 상이하도록 구비될 수도 있으나, 바람직하게는 라운드값 R₁(a) 및 라운드값 R₁(b)을 동일하도록 형성하는 것이 제조상 유리하다. 다만, 공기 유동을 분리시키지 않는 범위에서 각각의 최적 라운드 값 R₁(a) 및 라운드값 R₁(b)을 선택할 수 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명의 실시예를 구성하는 제1기준점의 범위를 나타내는 단면도이다. 제1기준점(S1)의 익현길이(CL)에 대한 상대적 위치인 제1위치에 따라 본 발명에 따른 축류팬의 효과에 영향을 끼칠 수 있다. (상세한 효과에 관해서는 도 10에서 후술)

도 6을 참조하면, 전연과 후연을 연결하는 가상선(AL)에 대하여 수직으로 그어진 가상선 V_A, V₁, V_{2 ,} V₃ 및 V_B가 각각 도시되어 있다. 가상선 V₁은 익현길이(CL)의 좌측 시작점으로부터 대략 10% 거리에 제1기준점이 있는 상태를 나타낸다. 마찬가지로 가상선 V₂은 대략 15% 거리에 제1기준점(S1)이 있는 상태를 나타내며, 가상선 V₃는 대략 25% 거리에 제1기준점이 있는 상태를 개략적으로 나타낸다.

이 때, 제1기준점의 제1위치는 익현길이(CL)의 시작점(즉, 수직선 V_A과 만나는 전연의 위치)으로부터 10% 내지 30% 범위 이내에 위치하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 12% 내지 20% 범위 이내이면 더욱 좋다.

익현길이의 10% 미만에서 제1기준점(S1)의 제1위치가 설정되면, 제1라운드값(R1)이 최대이격두께(Tmax)의 20~50%이어야 하는데, 노우즈(120)의 두께가 얇아 라운드형상을 구성하기 어렵다. 또한, 설령 라운드가 형성되더라도 유동이 박리되어 정압 상승 효과가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

반면, 익현길이의 30%를 초과하여 제1기준점(S1)의 제1위치가 설정되면, 중량저감의 효과가 떨어진다. 또한, 주압력 분포가 보다 후방으로 이동하게 되어 날개에 걸리는 토크가 증가하여 소비동력이 증가하게 되는 요인이 될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예를 구성하는 제2단차부(180)의 부분 확대도이다. 제2단차부(180)는 정압면(170)의 노우즈 하면(124) 및 제2표면(172)을 타고 흐르는 공기의 유동을 박리시킴으로써, 항력을 감소시키기 위한 구성이다. 제2단차부(180)는 이러한 작용 및 효과를 달성하기 위한 적합한 형상을 채택할 수 있다.

도 7을 참조하면, 제2표면(172)의 가상의 연장선에 위치하는 제2기준점(S2)이 표시되어 있으며, 제2기준점(S2)과 부압면 사이의 간격은 제2두께(t2)로 지칭된다. 제2두께(t2)는 최대이격두께(Tmax)의 20~50% 이내가 되도록 하되, 제1기준점(S1)의 제1두께(t1)와 같거나 보다 작도록 하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 제1두께와 제2두께의 비율 t1/t2는 적어도 1.2 이상의 값으로 구비되며, 제1표면(142)과 제2표면(172)의 이격 거리가 전연에서 후연으로 갈수록 감소하여(또는 일정하게 감소하여) 얇아지도록 하는 것이 좋다. 비율 t1/t2 가 적어도 1.2 이상이 되지 않으면 제2표면으로부터 살짝 돌출되는 제2단차부(180)의 형상을 제조하기 곤란하다.

이 때, 본 발명을 구성하는 제2단차부(180)는 제2표면(172)으로부터 연장되어 소정의 단차를 형성하는 유동박리면(181) 및 상기 유동박리면으로부터 연장되고 소정 두께(te)를 갖는 단차면(184)를 포함하여 이루어질 수 있다. 단차면(184)과 부압면이 이루는 두께 te는 제2두께(t2) 보다 크도록 설정된다.

더욱 상세하게는 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예를 구성하는 제2단차부(180)는 제2변곡면(182) 및 단차면(184)을 포함하여 구비될 수 있다. 한편, 도 5를 참조하여 상술한 제1변곡면(162)과 마찬가지로 제2변곡면(182)은 제2표면(172)에 면접하는 제2변곡면의 제2전면(182a)과, 단차면(184)와 면접하는 제2변곡면의 제2후면(182b)를 포함하여 구비될 수 있다.

더욱 상세하게는, 가상선 L1으로부터 수직으로 그어진 가상선 L4 및 L5 사이에 제2전면(182a)과 제2후면(182b)을 포함하는 제2변곡면(182)이 유동박리면(181)의 일실시예로서 구비된다.

도 7을 참조하면, 가상선(AL)에 대하여 수직으로 그어진 가상선 V₄ 와 제2표면의 가상 연장선(L8)이 교차하는 소정 부위에 제2기준점(S2)이 표시되어 있다. 또한, 제2기준점(S2)으로부터 가상선 L1에 내린 수선 상에는 제2탄젠셜 포인트(tp2)가 위치하고 있다.

제2변곡면의 제2전면(182a)은 제2라운드값 R₂(a)을 갖는 가상 원 C₂(a)의 부분적인 호(arc)에 해당한다. 또한, 제2변곡면의 제2후면(182b)은 제2라운드값 R₂(b)를 갖는 가상 원 C₂(b)의 부분적인 호(arc)에 해당한다.

제2라운값(R2)을 구성하는 라운드값 R₂(a) 및 라운드값 R₂(b)은 각각 상이하도록 구비될 수도 있으나, 바람직하게는 라운드값 R₂(a) 및 라운드값 R₂(b)을 동일하게 형성하는 것이 좋다.

이 때, 제2라운값(R2)은 제1변곡면(160)의 제1라운드값(R1) 보다 상대적으로 대략 2~3배 작은 값으로 채택되도록 하거나, 최대이격두께(Tmax)와 대비하여 대략 25% 내지 35% 범위 이내에 해당하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 수치 범위로 인하여 제2변곡면(182)을 포함하는 제2단차부(180)에서는 제2표면(172)을 타고 흐르는 공기의 유동이 제2표면으로부터 박리(detach)되는 작용을 하게 된다.

도 7을 참조하면, 제2기준점(S2)의 위치인 제2위치는 익현길이(CL)의 시작점으로부터 90% 내지 95% 범위에 오도록 배치하고, 상술한 제2라운드값(R2)을 채택함으로써 공기 유동의 박리를 보다 효과적으로 수행할 수 있다. 더욱 바람직하게는 제2기준점(S2)의 제2위치는 익현길이(CL)의 92% 내지 94% 범위이면 더욱 좋다.

제2기준점(S2)의 위치가 90% 미만인 경우에는 유동 박리에 의해 오히려 정압 상승을 저해할 수 있고, 제2기준점(S2)의 위치가 95%를 초과하는 경우에는 단차부를 형성하기가 어려워져 유동 박리가 원활히 일어나지 않아 항력 감소의 효과를 기대하기 어려워지기 때문이다.

즉, 종래의 축류팬 날개 후연 측에서는 정압면을 타고 흘러온 공기가 빠져나가면서 외부와의 경계측에서 점성에 의한 항력(drag force)이 발생되어 축류팬의 효율을 저감시키게 된다. 그러나, 본 발명에 의하면 후연 측 소정 영역에 제2단차부(180)가 형성되어 공기 유동을 박리(detach)시키도록 함으로써 항력을 감소시키고 소비동력을 절감시키게 되는 것이다. 나아가, 본 발명의 축류팬을 이루는 에어호일 섹션의 형상적 특징으로 인해 정압상승 효과가 발생되고 압력분포가 균일화되어 소음이 감소되는 효과가 발생한다.

한편, 유동박리면(181)은 제2표면을 타고 흐르는 공기의 흐름이 단차면(184)으로 경유하는 것을 차단 또는 최소화함으로써 항력을 줄이기 위한 구성이므로, 이러한 작용, 효과를 갖는다면 특별한 형상에 제약되는 것은 아니다.

예컨데, 도 8은 본 발명을 구성하는 제2단차부(180)의 다른 실시예(180')로서, 도 7과 같은 제2변곡면(182)을 경사면(183)으로 구비하는 유동박리면(181)의 다른 실시예(181')를 나타낸다. 즉, 제2단차부(181')는 경사면(183)과 단차면(184)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 경사면(183)은 제2표면(172)과 단차면(184)을 상호 연결하되, 공기의 유동을 박리하기 위한 형상으로서 소정 각도의 경사면으로 구비될 수 있다.

나아가, 또 다른 실시예로서, 제2표면(172)과 경사면(183)이 접하는 면만을 상술한 바와 같이 라운드 처리하거나, 경사면(183)과 단차면(184)이 접하는 면만을 상술한 바와 같이 라운드 처리하거나, 또는 경사면(183)이 제2표면(172)과 단차면(184) 각각과 접하는 면 모두를 소정값의 라운드 처리하는 것도 가능할 것이다.

한편, 제2표면(172)으로부터 계단상으로 단차면(184)과 연결되는 것도 상정해 볼 수 있는데, 유동박리면(181)과 단차면(184)의 결합이 지나치게 급격한 경사를 이루거나, 계단식 구조일 경우에는 국부적인 와류가 발생할 수 있음을 유의하여야 한다. 또한, 축류팬을 구성하는 날개는 복수이므로, 이러한 와류들로 인해 소음의 문제점이 지적될 수 있다.

따라서, 가장 바람직하게는, 상기 유동박리면(181)은 도 7과 같이 제2변곡면의 제2전면(182a)과 제2변곡면의 제2후면(182b)을 포함하는 제2변곡면(182)으로 구비됨으로써, 유동박리의 작용을 수행하되, 와류의 발생을 최소화시키는 형상으로 구비되는 것이 효과적이다.

한편, 본 발명에 따른 축류팬의 날개는 휨각이 전향각(forward sweeping angle)과 후향각(backward sweeping angle)이 교대 형성되는 축류팬으로 적용될 수 있음은 물론이다. 이 때, 날개(10)의 설치각(θ)과 익현길이(CL)의 상대적 관계가 상술한 에어호일 섹션의 형상과 조합됨에 의하여 압력분포가 보다 효과적으로 분산되어 소음 발생을 저감시킬 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 축류팬의 익현길이와 설치각을 나타내는 도표이다. 도 9를 참조하면, 익현길이(CL)은 익근으로부터 익단으로 갈 때까지 거리 중 대략 2/3 지점까지는 상향 볼록한 대략 2차 함수로 증감하다가 2/3 지점 이후에는 하향 오목한 형상으로 증가하는 제1파형으로 구비될 수 있다. 익근으로부터 소정 지점(M)에서는 익현길이(CL)가 최대가 되도록 한다.

또한, 설치각(θ)은 익근으로부터 익단에 이르기까지 하향 오목한 2차 함수로 감증하다가 대략 2/3 지점 이후에는 상향 볼록한 형상으로 증가하는 제2파형으로 구비될 수 있다. 익근으로부터 소정 지점(M)에서는 익현길이(CL)과는 반대로 설치각(θ)는 최소가 되도록 한다.

이는 익현길이(CL)가 증가되는 구간에서는 설치각(θ)이 하강되어 축류팬의 수평면에 더 인접하게 형성됨으로써 날개에 가해지는 공기흐름에 따른 불규칙한 하중을 줄이거나 분산하는 작용을 함으로써, BPF(Blade passage frequency) 소음을 감소시키는 효과를 증진한다. 한편, 본 발명에 따른 축류팬은 날개(10)의 익단(104)들을 환형으로 연결하는 팬밴드(50)가 더 포함될 수 있음은 물론이다.

도 10은 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 축류팬의 유동특성 실험 사진이다. 도 10의 좌측은 종래의 날개 단면에 따른 유동 특성을 나타내며, 우측은 본 발명의 에어호일 섹션이 적용된 사양의 유동 특성을 나타낸다. 우측의 그림에서는 정압면에서의 정압 상승이 보다 많이 이루어져 풍량이 증대됨을 알 수 있다. 또한, 후연 측에 인접한 단차부로 인해 보다 압력이 균일하게 분포되고 유동 박리가 수행되어 소기의 효과를 발현시킴을 확인할 수 있다.

다음으로, 도 11은 본 발명의 구성요소 변화값에 따른 실험결과 도표이다.

도 11 및 아래 [표 1]는 제1기준값(S1)의 제1위치, 제2기준값(S2)의 제2위치, 제1두께와 제2두께의 비율(t1/t2), 제1라운드값(R1)과 제2라운드값(R2)을 각각 달리하여 전산유체역학(CFD : Computational Fluid Dynamics) 해석을 통해 예측 측정된 소비전력(power)값을 나타낸 표이다. {이 때, 제1,2라운드값은 제1,2변곡면의 제1전면(162a)과 제2전면(182a)과 이와 각각 접하는 제1후면(162b)과 제2후면(182b)이 동일값으로 세팅됨.}

날개 단면의 형상 변수 비교 테이블

	S1/CL	power(W)	S2/CL	power(W)	t1/t2	power(W)	R1/Tmax	power(W)	R2/Tmax	power(W)
비교예 1	8%	127	82%	124	1.4	120	40%	122	22%	123
본 발명 (실험예 1)	15.70%	121	94%	121	1.2	121	57%	121	28%	121
비교예 2	30%	125	97%	126	1	123	65%	123	33%	124

도 11은 [표 1]에 나타난 사항을 그래프로 표현한 것으로서, 제1,2사분면의 도표는 익현길이(CL)에 대비한 제2기준점(S2)의 제2위치 및 제1기준점(S1)의 제1위치에 따른 소비전력을 나타내는 것이다. 또한, 제3,4분면의 도표는 최대이격두께(Tmax)에 대한 제1라운드값(R1) 및 제2라운드값(R2)에 따른 소비전력을 나타낸 것이다.

도 11을 참조하면, 제1기준점(S1)이 대략 15% 부근, 제2기준점이 대략 94% 부근, 제1라운드값(R1)이 대략 57% 부근, 제2라운드값(R2)가 대략 28% 부근에서 각각 소비전력이 최소로 측정되었다.

다음으로, 아래 [표 2]는 비교예와 본 발명에 따른 각각의 변수를 나타내는 표이다. 비교예와 본 발명에 따른 실험예에서 각각의 제1기준점의 제1위치, 제2기준점의 제2위치, 제1두께(t1)와 제2두께(t2)의 비율(t1/t2), 제1라운값 및 제2라운드값을 [표 2]와 같이 세팅한 다음 동일한 풍량 조건(CMH)이 될 때까지의 소비전력과 회전수(RPM)을 측정한 결과를 [표 3]에 나타내었다.

[표 3]을 참조하면, 동일한 풍량 조건에서, 실험예는 비교예보다 소비전력이 저감되면서도 회전수가 보다 낮은 영역으로 전환된 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 동일한 소비전력을 인가하는 경우에는 보다 많은 풍량을 발휘할 수 있으면서도, 소음은 절감되는 효과가 발생되는 것이다.

날개 단면의 형상 변수 비교 테이블

	S1/CL	S2/CL	t1/t2	R1/Tmax	R2/Tmax
비교예 3	30%	85%	1	30%	20%
실험예 2 (본 발명)	15.78%	94.09%	1.2	57.14%	28.57%

CFD 해석 결과 대비표 (동일 풍량 조건에서의 소비동력 및 회전영역 대비)

	풍량(CMH)	소비전력(W)	RPM
비교예 3	1715	126	1780
실험예 2 (본 발명)	1715	121	1749

한편, 아래 [표 4]를 참조하면, 휨각, 설치각 및 익현길이가 동일하도록 적용시키되, 비교예 4는 종래의 날개 단면을 갖는 축류팬이고, 실시예 1은 [표 1]에서 사용된 본 발명이 적용된 축류팬의 중량을 비교한 표이다.

[표 4]를 참조하면, 비교예 4의 축류팬은 419.9그램(g)인데 반하여, 본 발명에 따른 축류팬은 328.0그램(g) 으로서 대략 22%의 중량 절감효과가 있다.

비교예 4와 실험예 1의 중량 비교

	비교예 4	실시예 1
중량	419.9 (g)	328.0 (g)

이상에서 상술한 기술적 특징들에 의하면, i)우선 종래의 날개 단면에 비해 슬림화된 형상으로 인해 무게를 감소시켜 자동차 등의 중량 감소에 기여할 수 있다. ii)또한, 노우즈와 제2표면의 높이를 달리하면서도 공기 유동이 분리되지 아니하고 제2표면을 따라 흐르도록 함으로써 캠버(camber)를 증대하고 정압 상승, 풍량증가의 효과가 있다. iii)나아가, 후연측 소정의 위치에 소정의 두께를 가진 제2단차부에 의하여 공기 유동의 박리를 수행하여 항력을 감소시켜 효율을 향상시키고, 와류 발생을 최소화시켜 소음을 저하시킨다. iv)아울러, 소정 지점에서 익현길이가 최대값으로 설치각은 최소값으로 구비되도록 함으로써 상기한 효과를 더욱 증진시킬 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1 : 축류팬
10 : 날개
101 : 전연, 102 : 후연, 103 : 익근, 104 : 익단,
105 : 에어호일 섹션
120 : 노우즈, 122 : 노우즈 상면, 124 : 노우즈 하면
140 : 부압면, 142 : 제1표면
160 : 제1단차부, 162 : 제1변곡면
170 : 정압면, 172 : 제2표면
180 : 제2단차부
181 : 유동박리면
183 : 경사면, 182 : 제2변곡면, 184 : 단차면
30 : 허브
50 : 팬밴드

Claims (12)

1. 허브(30); 및 상기 허브에 방사상 배치되는 복수의 날개(10)를 포함하되, 상기 날개는 전연(101), 후연(102), 상기 전연과 후연 사이에 형성되는 부압면(140) 및 상기 부압면에 이격되어 형성되는 정압면(170)으로 이루어지는 축류팬에 있어서,
   상기 전연(101)에는 공기 흐름을 분기하는 노우즈(120)가 형성되고, 상기 부압면(140)은 상기 노우즈의 상면(122)으로부터 연장된 제1표면(142)으로 구비되며,
   상기 정압면(170)은 상기 노우즈(120)의 하면(124)으로부터 요입 형성되는 제2표면(172)으로 구비되되, 상기 노우즈의 하면(124)과 상기 제2표면(172)을 연결하는 제1단차부(160) 및 상기 제2표면(172)의 후단에 돌출 형성되는 제2단차부(180)를 포함하고,
   상기 제1단차부(160)는 상기 노우즈(120)의 하면(122)으로부터 상기 제2표면(172)으로의 공기 유동을 전달하도록 하며, 상기 제2단차부(180)는 상기 제2표면(172)으로부터 상기 제2단차부(180)로의 공기 유동을 박리시키는 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 축류팬(1).
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1단차부(160)는 제1전면(162a)과 제1후면(162b)으로 이루어지는 제1변곡면(162)으로 구비되는 것을 특징으로 하는 축류팬(1).
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2단차부(180)는 상기 부압면(140)으로부터 소정 두께(te)로 형성된 단차면(184) 및 상기 단차면과 상기 제2표면(172)을 연결하는 유동박리면(181)을 포함하는 것을 특징으로 하는 축류팬(1).
4. 제3항에 있어서,
   상기 유동박리면(181)은 제2전면(182a)과 제2후면(182b)을 포함하는 제2변곡면(182)인 것을 특징으로 하는 축류팬(1).
5. 제3항에 있어서,
   상기 유동박리면(181)은 상기 제2표면(172)과 상기 단차면(184)을 연결하는 경사면(183)인 것을 특징으로 하는 축류팬(1).
6. 제4항에 있어서,
   상기 전연(101)과 상기 후연(102) 사이의 거리값을 익현길이(CL)라 하고, 상기 노우즈(120)의 하면(124)과 상기 단차면(184)을 가상으로 연결한 선(L1)과 상기 부압면(140) 사이의 최대이격값을 최대이격두께(Tmax)라 할 때,
   상기 제1변곡면(162)을 형성하기 위한 제1기준점(S1) 및 상기 제2변곡면(182)을 형성하기 위한 제2기준점(S2)은 각각 상기 익현길이(CL)로부터 제1위치 및 제2위치에 구비되고, 상기 부압면(140)으로부터 각각 제1두께(t1) 및 제2두께(t2)로 구비되는 것을 특징으로 하는 축류팬(1).
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1기준점(S1)의 상기 제1위치는 상기 익현길이(CL)의 시작점으로부터 10% 내지 30%의 범위에 위치하는 것을 특징으로 하는 축류팬.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제2기준점(S2)의 상기 제2위치는 상기 익현길이(CL)의 시작점으로부터 90% 내지 95%의 범위에 위치하는 것을 특징으로 하는 축류팬.
9. 제6항에 있어서,
   상기 제2두께(t2)는 상기 제1두께(t1)보다 작도록 형성되며, 상기 제1두께(t1)와 상기 제2두께(t2)의 비율(t1/t2)은 적어도 1.2 이상의 값으로 구비되어, 상기 제1표면(142)과 상기 제2표면(172)의 이격 거리가 상기 후연(102) 방향으로 감소하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 축류팬.
10. 제6항에 있어서,
    상기 제1변곡면(162)의 상기 제1전면(162a) 및 제1후면(162b)은 제1탄젠셜 포인트(tp1)를 경계로 제1라운드값(R1)을 갖는 탄젠셜(tangential)한 부드러운 곡선으로 연결되되, 상기 제1라운드값(R1)은 상기 최대이격두께(Tmax)의 45% 내지 60%의 범위인 것을 특징으로 하는 축류팬.
11. 제6항에 있어서,
    상기 제2변곡면(182)의 상기 제2전면(182a) 및 제2후면(182b)은 제2탄젠셜 포인트(tp2)를 경계로 제2라운드값(R2)을 갖는 탄젠셜(tangential)한 부드러운 곡선으로 연결되되, 상기 제2라운드값(R2)은 상기 최대이격두께(Tmax)의 45% 내지 60%의 범위인 것을 특징으로 하는 축류팬.
12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 익현길이(CL)는 제1파형으로 증감하며, 상기 축류팬의 수평면과 이루는 설치각(θ)은 제2파형으로 증감하되, 상기 익현길이(CL)가 최대인 지점에서 상기 설치각(θ)은 최소가 되는 것을 특징으로 하는 축류팬.

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