KR20200003792A - 최적화된 터널 환기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 또는 그 밖의 내부 공간에 장착된 팬 조립체의 종방향 추력을 향상시키는 환기 장치에 관한 것이다. 노즐 트레일링 에지(6)가 팬 중심축(7)에 대해 일정 각도(13)를 형성하도록 경사지게 배열되며, 노즐 관통-보어의 표면의 형태는 비-원통형으로 구성된다. 배출된 공기흐름(5)은 수렴-발산 형태의 벨마우스(1)에 의해 주변 표면들로부터 멀어지도록 돌려진다.

Description

최적화된 터널 환기 장치

본 발명은 터널 또는 그 밖의 내부 공간에 장착된 팬 조립체의 종방향 추력을 향상시키는 환기 장치에 관한 것이다.

제트팬(jetfan)에 의한 종방향 환기(longitudinal ventilation) 방법은, 정상상태에서의 작동 및 밀집 상태에서의 작동 동안에 공기 퀄리티를 향상시킬 뿐만 아니라 화재 시에 연기를 조절하기 위하여, 터널 및 주차장에서 공기흐름을 구현하기 위해 잘 알려져 있는 기술이다.

본 발명의 출원인에 의해 이전에 출원된 영국 특허출원 GB2512181호는 개선된 제트팬에 관해 기술하고 있는데, 노즐의 중심축과 노즐 트레일링 에지 사이에 형성된 각도는 수직이 아니며, 노즐 관통-보어 에지들 중 하나 이상의 에지는 공기흐름을 주변 표면들로부터 멀어지는 방향으로 향하도록 돌린다(turn). 상기 발명은 제트팬으로부터 야기되는 제트의 코안다 효과를 감소시켜, 터널 환기의 에너지 효율이 향상된다.

앞에서 언급한 GB2512181호에서 공기흐름을 주변 터널 표면들로부터 멀어지는 방향으로 향하도록 돌리기 위하여, 노즐 관통-보어 에지들 중 한 에지를 경사지게 배열하면, 노즐 관통-보어의 공기역학적 스로트(aerodynamic throat)가 팬 면적과 적어도 똑같게 되도록 하기 위하여, 노즐 트레일링 에지가 큰 각도(약 30°)만큼 기울어져야 한다. 공기흐름이 유입 노즐 평면에 수직인 방향으로 제트팬으로 유입되기 때문에, 이렇게 큰 노즐 트레일링 에지 각도로 인해, 공기흐름이 노즐 유입부에서 분리되어, 추가적인 압력 손실이 발생된다.

JP-A-H1-237400호는, 배출된 공기가 터널 하부로부터 돌려지게 하기 위하여, 원통의 하측면에 언더컷(undercut)을 가진 제트팬에 대해 기술하고 있다. 하지만, 노즐 트레일링 에지의 형태가 타원형으로 형성되기 때문에, 현재 상업적으로 유용한 벨마우스(bellmouth)를 노즐 트레일링 에지 상에서 결부시키는 것이 가능하지 않으며, 이에 따라 제트팬을 통과하는 압력이 현저하게 손실된다.

본 발명의 출원인은 종방향 터널 환기 시스템의 에너지 효율을 향상시키는 방법을 제안한다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 내부 공간을 환기하기 위하여 내부 공간에 장착하기 위한 팬 조립체(fan assembly)가 제공되는데, 상기 팬 조립체는:

환기 흐름(ventilation flow)을 생성하기 위한 팬 로터(fan rotor)를 포함하며, 팬 로터에 유입되는 유입 흐름은 팬 로터로부터 배출되는 배출 흐름에 실질적으로 평행하고,

사용 시에, 팬 조립체가 장착되는 주변 표면(surrounding surface)에 근접하게 위치되는 에지(edge)를 가진 노즐 관통-보어(through-bore)를 포함하며,

노즐은 팬으로부터 원위 단부에서 트레일링 에지(trailing edge)를 가지고;

팬 조립체는, 팬에 의해 생성된 환기 흐름이 조립체로부터 배출되기 전에 노즐을 통해 통과하여, 환기되어야 하는 내부 공간에 유입되도록 배열되며;

팬의 중심축과 노즐 트레일링 에지 사이에 형성된 각도는 수직이 아니고;

노즐 관통-보어의 표면은 비-원통형(non-cylindrical)으로 구성되며;

노즐 관통-보어 에지는, 공기가 팬 로터로부터 공급될 때, 주변 표면으로부터 멀어지는 흐름 방향으로 안내되도록 배열되지 않는다.

바람직하게는, 노즐 관통-보어 에지는 팬의 중심축에 실질적으로 평행하게 배열된다.

바람직하게는, 노즐 관통-보어의 에지는 팬으로부터 원위 단부에서 원을 형성한다.

바람직하게는, 2개의 노즐이 제공되는데, 팬의 한쪽에 하나의 노즐이 장착된다.

바람직하게는, 팬 중심축에 수직인 선과 트레일링 에지 사이의 각도는 5° 내지 60° 사이에 있다.

본 발명은, 어떻게 제트팬으로부터의 흐름을 주변 터널 표면들로부터 멀어지는 방향으로 돌리게 하여(turn), 그에 따라, 제트팬을 통과하는 압력 강하(pressure drop)를 증가시키지 않고도, 터널 내에서 높은 공기역학적 추력(aerodynamic thrust)을 구현할 수 있는지에 관한 기술적인 문제에 대한 해결책을 제시한다.

배출된 흐름이 터널로 유입되도록 돌리는 것은, 노즐 트레일링 에지를 기울임으로써 부분적으로 구현된다. 제트팬은 관통-보어의 짧은 쪽보다 주변 터널 표면에 가까운 관통-보어의 긴 쪽에 배열된다. 따라서, 노즐 트레일링 에지를 기울이면, 흐름이 주변 터널 표면으로부터 멀어지는 방향으로 향하도록 돌려진다.

상기 GB2512181호에 비해, 본 발명은 관통-보어를 통과하는 횡단면적이 더 커지게 되는데, 그 이유는 상기 횡단면적이 경사진 관통-보어 에지에 의해 제한받지 않기 때문이다. 또한, 임의의 유입 흐름 분리 가능성을 줄이기 위하여, 유입 트레일링 에지에 대해 작은 경사 각도가 선택될 수 있다. 따라서, 제트팬의 전력 소모량이 현저하게 감소된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 내부 공간을 환기하기 위하여 내부 공간에 장착하기 위한 팬 조립체가 제공되는데, 상기 팬 조립체는:

환기 흐름을 생성하기 위한 팬 로터를 포함하며, 팬 로터에 유입되는 유입 흐름은 팬 로터로부터 배출되는 배출 흐름에 실질적으로 평행하고,

팬으로부터 원위 단부에서 트레일링 에지를 가지는 노즐을 포함하며;

노즐 트레일링 에지에 결부된(attached) 벨마우스를 포함하고;

팬 조립체는, 팬에 의해 생성된 환기 흐름이 조립체로부터 배출되기 전에 노즐을 통해 통과하여, 환기되어야 하는 내부 공간에 유입되도록 배열되며;

팬의 중심축과 노즐 트레일링 에지 사이에 형성된 각도는 수직이 아니고;

벨마우스 관통-보어의 횡단면적은 노즐에 결부된 위치로부터 팬으로부터 멀어지는 방향으로 감소되어 최소 횡단면적이 된다.

본 발명에 기술된 벨마우스는 트레일링 에지가 팬의 중심축에 수직이 되지 않도록 기울어진 노즐의 트레일링 에지에 결부된다.

바람직하게는, 벨마우스는 중심축에 대해 회전 대칭으로 배열된다. 이러한 기하학적 형상은 표준 스피닝(spinning) 제작 기술을 이용하여 용이하게 형성된다.

본 발명에 기술된 벨마우스는 추력을 향상시키고 다음과 같이 두 가지 효과를 통해 전력 소모량을 감소시킨다.

첫 번째 효과로는, 노즐 관통-보어 유입부의 가장 짧은 에지를 따라 부드럽게 흐를 수 있게 하여(smooth flow) 흐름 분리(flow separation)를 방지할 수 있다.

두 번째 효과로는, 벨마우스가 주변 터널 표면들로부터 멀어지도록 향하는 노즐의 가장 긴 에지로부터 배출되는 제트를 편향시켜(deflect), 코안다 효과(Coanda effect)가 감소되어 터널 내에서 추력이 향상된다.

위에 기술된 첫 번째 효과는, 바람직하게는, 벨마우스 관통-보어를 노즐에 결부된 위치에서 노즐 관통-보어의 가장 짧은 에지에 실질적으로 평행하게 배열함으로써 구현될 수 있다. 이러한 기하학적 배열은, 벨마우스 관통-보어가 노즐에 결부된 위치에서 팬으로부터 멀어지는 방향으로 수렴하는(convergent) 횡단면적을 가지는 것을 의미한다. 따라서, 벨마우스 관통-보어는 최소 횡단면적으로 수렴될 수 있는데, 이 최소값은 팬의 횡단면적에 대해 유입 흐름 또는 배출 흐름을 막하지(choke) 않도록 선택되는 것이 바람직하다.

최소 벨마우스 횡단면적을 지나면, 벨마우스는 종래의 통상적인 방법으로 배열될 수 있는데, 바람직하게는, 팬으로부터 멀어지는 방향으로 횡단면적이 증가하는 원형 또는 타원형 호(elliptical arc) 형태로 배열된다.

오직 관통-보어 에지가 기울어짐으로써만 흐름이 돌려지는 것이 구현될 수 있는 GB2512181호와는 달리, 본 발명은 노즐 트레일링 에지가 기울어지고, 배출된 흐름이 벨마우스에 의해 돌려지는 개념에 따른다. 본 발명의 출원인의 전산유체역학 계산에 따르면, 흐름이 터널 내로 적절하게 돌려진 것이 확인되었다.

GB2512181호에 비해, 본 발명은 음향 침묵 요건(acoustic silencing requirement)들을 충족하도록 노즐의 길이가 선택될 수 있는 이점을 가진다. 또한, 본 발명은, 관통-보어 에지를 기울일 필요가 없기 때문에, GB2512181호에 비해 제작하기가 용이하고 비용이 저렴하다. 또한, GB2512181호에 비해 본 발명을 제작하는 데 필요한 쉬트 금속(sheet metal)이 덜 필요한데, 그 이유는 평면 내에서 곡률(curvature)이 덜 형성되고 평평한 패턴으로 형성되기 때문이다.

JP-A-H1-237400호에 비해, 본 발명은 원통형 형태를 가진 관통-보어 표면은 사용하지 않는다. 이에 따라, 노즐을 벨마우스에 더 잘 끼워 맞출(matching) 수 있다.

원 형태의 트레일링 에지를 사용함으로써, 원형의 벨마우스가 노즐 유입부에 결부될 수 있다. 이러한 벨마우스는 스피닝 제작 기술을 이용하여 쉽게 제작될 수 있다.

본 발명에 기술된 노즐들은 통상적으로 음향 침묵(acoustic silencing)에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 배출된 흐름을 터널 주변 표면들로부터 멀어지는 방향으로 향하도록 돌리게 하기 위해 사용될 수 있다.

이제, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예들이 단지 예로서 제공된 첨부도면들을 참조하여 밑에서 상세하게 기술될 것이다:
도면에서, 비슷한 도면부호들은 비슷한 구성요소들을 나타내기 위해 사용된다;
도 1은, 본 발명에 기술된 것과 같이, 팬의 양쪽에 장착되고 노즐들을 가진 환기 장치의 한 실시예를 절단하여 도시한 수직 단면도;
도 2는, 본 발명에 기술된 것과 같이, 팬의 한쪽에 장착되고 노즐을 가진 환기 장치의 한 실시예를 절단하여 도시한 수직 단면도;
도 3은, 본 발명에 기술된 것과 같이, 팬의 양쪽에 장착되고 노즐들을 가진 환기 장치의 한 실시예를 절단하여 도시한 수평 단면도; 및
도 4는 환기 장치의 한 실시예를 절단하여 도시한 단부도.

도 1을 보면, 도 1은, 완전히 가역 방식으로(fully reversible) 작동되도록 구성된, 터널 밑면의 하부에 장착된 2-방향 환기 장치인 본 발명의 한 실시예의 단면도이다.

상기 실시예에서, 모터(4)에 의해 구동되는 팬 로터(3)를 포함하는 팬 조립체가 팬 하우징(2) 내에 장착된다. 팬 로터(3)는 팬 중심축(7)을 따라 장착된다.

공기흐름(5)이 벨마우스(1)와 유입 노즐 관통-보어(8)를 통해 팬 로터(3)에 유입되며, 그 후에, 벨마우스(1)와 배출 노즐 관통-보어(9)를 통해 배출된다. 노즐(6)의 유입 및 배출 트레일링 에지들은 팬 중심축(7)에 수직인 선에 대해 일정 각도(13)로 경사지게 배열된다. 배출된 공기흐름은 벨마우스(1)의 상측 표면에 의해 터널 표면들로부터 멀어지는 방향으로 돌려져서(turned), 그에 따라 코안다 효과(Coanda effect)가 감소된다.

바람직하게는, 각도(13)는 5° 내지 60° 사이에 있다. 더 바람직하게는, 각도(13)는 약 25°이다.

커다란 기하학적 형상의 스로트(14)가, 노즐 트레일링 에지(6)를 트레일링 에지(6)와 관통-보어(14)에 수직인 선 사이의 각도(13)만큼 기울임으로써, 노즐의 유입 및 배출부 쪽 모두에 배열될 수 있다. 그에 따라, 트레일링 에지(6)의 길이는 증가될 수 있다.

이제, 일반적으로(하지만 이것에만 제한되지는 않는) 일-방향으로 작동될 수 있는 본 발명의 특정 실시예의 측면도인 도 2를 살펴보자.

상기 실시예에서, 표시된 공기흐름 방향은 좌측으로부터 우측인 방향으로, 공기흐름(5)이 노즐(16)에 먼저 유입되고, 그 후에, 팬 로터(3)에 의해 가속되어 배출 관통-보어(9)를 가진 특정 형상의 노즐로 이동된다. 배출된 공기흐름은 벨마우스(1)의 상측 표면에 의해 돌려진다(turned). 벨마우스(1)는 팬 중심축(7)에 수직인 선에 대해 일정 각도(13)로 배열되며, 사용 시에, 배출된 공기흐름이 주변 터널 표면들로부터 멀어지는 방향으로 이동된다.

도 2에서, 흐름 방향은, 필요 시에는, 팬 로터에 의해 반대 방향이 될 수 있다. 증가된 코안다 효과로 인해, 도 2에 기술된 실시예에서, 반대의 흐름 방향으로(즉 우측으로부터 좌측으로), 터널 내에서의 공기역학적 추력(aerodynamic thrust)의 감소가 예상될 수 있다.

이제, 본 발명의 한 실시예의 수평 단면도인 도 3을 보면, 관통-보어의 측벽(sidewall)들이 팬 중심축(7)에 평행한 선들에 대해 일정 각도(15)로 발산되는(diverge) 것을 볼 수 있다. 이는 관통-보어 표면의 비-원통형 특성을 나타내며, 유입 및 배출 평면(14)들에서 흐름 영역(flow area)이 증가되는 것을 보여준다.

도 4는 환기 장치의 한 실시예를 절단하여 도시한 단부도로서, 팬으로부터 원위 단부에서, 노즐 관통-보어의 에지가 특정 직경(17)을 가진 원 형태로 형성된다.

본 발명에 기술된 것과 같이 노즐을 팬의 하나 이상의 쪽에 끼워맞춤(fit) 하기 위하여, 기존의 팬 조립체를 변형하는 것도 가능하며, 그에 따라 성능이 향상되는 이점이 생긴다.

본 발명은 터널, 지하 주차장 및 이와 유사한 내부 공간의 환기에 유리하다.

앞에서 기술된 내용은 여러 실시예들 및 그 사용 방법들을 단지 예시한 것으로 이해해야 할 것이다. 통상의 기술자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 다양한 변형예들이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

Claims (12)

1. 내부 공간을 환기하기 위하여 내부 공간에 장착하기 위한 팬 조립체에 있어서, 상기 팬 조립체는:
   환기 흐름을 생성하기 위한 팬 로터를 포함하며, 팬 로터에 유입되는 유입 흐름은 팬 로터로부터 배출되는 배출 흐름에 평행하고,
   사용 시에, 팬 조립체가 장착되는 주변 표면에 근접하게 위치되는 에지를 가진 노즐 관통-보어를 포함하며,
   노즐은 팬으로부터 원위 단부에서 트레일링 에지를 가지고;
   팬 조립체는, 팬에 의해 생성된 환기 흐름이 조립체로부터 배출되기 전에 노즐을 통해 통과하여, 환기되어야 하는 내부 공간에 유입되도록 배열되며;
   팬의 중심축과 노즐 트레일링 에지 사이에 형성된 각도는 수직이 아니고;
   노즐 관통-보어의 표면은 비-원통형으로 구성되며;
   노즐 관통-보어 에지는, 공기가 팬 로터로부터 공급될 때, 내부 공간의 주변 표면으로부터 멀어지는 흐름 방향으로 안내되도록 배열되지 않는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
2. 제1항에 있어서, 노즐 관통-보어 에지는 팬의 중심축에 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 노즐 관통-보어의 에지는 팬으로부터 원위 단부에서 원을 형성하는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 팬의 한쪽에 장착된 노즐을 가지는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 팬 중심축에 수직인 선과 트레일링 에지 사이의 각도는 5° 내지 60° 사이에 있는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐 트레일링 에지에 결부된 벨마우스를 추가로 포함하며, 벨마우스 관통-보어의 횡단면적은 노즐에 결부된 위치로부터 팬으로부터 멀어지는 방향으로 감소되어 최소 횡단면적이 되는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
7. 제6항에 있어서, 벨마우스 관통-보어의 횡단면적은 팬으로부터 원위 단부로부터 팬을 향하는 방향으로 감소되는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 벨마우스는 중심축에 대해 회전 대칭으로 구성되는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 벨마우스 관통-보어는 노즐에 결부된 위치에서 노즐 관통-보어의 가장 짧은 에지에 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 벨마우스 관통-보어는 노즐에 결부된 위치에서 타원형 호(elliptical arc)의 한 부분을 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 벨마우스는 팬으로부터 원위 단부에서 타원형 호의 한 부분을 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.
12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 벨마우스를 포함하되, 팬 조립체의 한쪽에 하나의 벨마우스가 장착되는 것을 특징으로 하는 팬 조립체.

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