KR20210113349A

KR20210113349A - 자동차의 임펠러

Info

Publication number: KR20210113349A
Application number: KR1020217025575A
Authority: KR
Inventors: 미햐엘 마우쓰
Original assignee: 브로제 파르초이크타일레 에스에 운트 코. 콤만디트게젤샤프트, 뷔르츠부르크
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-09-15
Also published as: WO2020152211A1; EP3887684A1; MA54324A; DE202019100367U1; JP2022523037A; US20220112901A1; CN113366223A

Abstract

본 발명은 자동차(2)의, 특히, 복수의 팬 블레이드(30)가 결합되어 있는 허브(26)를 갖는 냉각 팬(8)의 임펠러(28)에 관한 것이다. 팬 블레이드(30)는 임펠러(34)의 회전축(34)에 대해 기울어져 있으며, 평면도에서 볼 때 회전축(34)을 따라 S자형으로 형성된 섹션(46)을 각각 갖는다. 본 발명은 또한 자동차(2)의 냉각 팬(8)에 관한 것이다.

Description

자동차의 임펠러

본 발명은 복수의 팬 블레이드가 연결되어 있는 허브를 갖는, 자동차의 임펠러에 관한 것이다. 임펠러는 바람직하게 자동차의 냉각 팬의 구성 부품이다. 본 발명은 또한, 메인 팬(main fan)과 같은 자동차의 냉각 팬과도 관련이 있다.

내연기관이 장착된 자동차에서는 작동 중에 상당한 열이 발생한다. 내연기관의 작동 온도를 유지하기 위해, 그리고 공조 시스템의 작동을 위해서도 일반적으로 액체 냉각제가 사용되며, 상기 액체 냉각제는 재냉각되어야 한다. 이는 통상, 상대풍(relative wind)이 공급되며 냉각제와 열을 교환하는 라디에이터 네트워크를 이용해서 수행된다. 예를 들어, 라디에이터 네트워크 내에 통합되어 있는 파이프 내로 냉각제가 안내된다. 특히 차량의 속도가 느린 경우에는 상대풍이 냉각을 수행하기에는 보통 불충분하기 때문에, 상대풍을 강화시키는 전기 팬을 사용하는 방법이 공지되어 있다.

본원에서는 팬이 주행 방향으로 라디에이터 네트워크 후방에 배치된다. 팬의 임펠러에 의해, 공기가 라디에이터 네트워크를 통과해서 흡입되어 내연기관으로 안내된다. 그곳에서 공기는 내연기관의 과잉 열을 흡수하여 이 열을 소산시킨다. 이때, 공기가 내연기관에 실질적으로 그대로(bluntly) 부딪히고, 내연기관으로부터 예를 들어 90°만큼 편향된다. 그 결과, 유동 저항을 증가시키고 이로써 공기 유동률을 감소시키는 난류가 발생한다. 특정 상황에서 방해가 될 수 있는 소음이 발생하기도 한다.

본 발명의 과제는, 자동차의 특히 적합한 임펠러 및 자동차의 특히 적합한 냉각 팬을 제공하는 것이며, 이 경우 특히 공기 유동률이 증가한다.

상기 과제는 본 발명에 따라, 임펠러와 관련해서는 청구항 1의 특징들에 의해 해결되고, 냉각 팬과 관련해서는 청구항 10의 특징들에 의해 해결된다. 바람직한 개선예들 및 실시예들은 각각의 종속 청구항의 대상이다.

임펠러는 자동차의 구성 부품이고, 특히 냉각 팬의 구성 부품이다. 본원에서 임펠러는, 특히 차량의 라디에이터를 통해 공기를 흡입하거나 송풍하기에 적합하며, 특히 그러한 목적으로 제공되고 설계된다. 냉각 팬 및 이로써 임펠러도 바람직하게 자동차의 내연기관을 냉각하는 데 이용된다. 라디에이터에 의해 적절하게 냉각액이 냉각되고, 그리고/또는 임펠러에 의해 공기 흐름이 내연기관으로 안내된다. 그 대안으로, 임펠러는 예를 들어, 특히 공기를 자동차 실내로 운반하는 송풍기의 구성 부품이다. 자동차는 적합한 방식으로는 육상 기반 차량이며, 예를 들어 승용차이다. 그 대안으로, 자동차는 예를 들어 화물차 또는 버스와 같은 상용차이다.

임펠러는 특히 실질적으로 평평한 형상을 갖는다. 하지만 적어도, 하나의 평면 내에서의 임펠러의 연장부는 이 평면에 대해 수직인 연장부보다 크다. 임펠러는 회전축을 중심으로 회전하기에 적합하며, 특히 그러한 목적으로 제공되고 설계된다. 특히 회전축은 임펠러가 배치되어 있는 평면에 대해 수직이다. 임펠러는 바람직하게 축방향 임펠러(axial impeller)이다. 따라서, 작동 중에는 임펠러에 의해 공기가 회전축을 따라 이동한다.

임펠러의 직경은 바람직하게 20㎝ 내지 50㎝, 25㎝ 내지 45㎝, 그리고 예를 들어 실질적으로는 딱 30㎝이며, 이때 각각 바람직하게 5㎝, 2㎝ 또는 0㎝의 편차가 존재한다.

임펠러 자체는 복수의 팬 블레이드가 결합되어 있는 허브를 갖는다. 허브는 전기 모터에 부착되기에 적합하며, 특히 그러한 목적으로 제공되고 설계된다. 조립 상태에서 허브에는 바람직하게 전기 모터가 부착되며, 이 전기 모터에 의해 임펠러가 회전축을 중심으로 회전한다. 이 경우, 허브는 적합한 방식으로 회전축에 대해 동심으로 배치되며, 이는 불균형을 줄여 원치 않는 소음 발생 및 과도한 하중을 감소시킨다. 바람직하게, 허브는 실질적으로 포트(pot) 형태로 형성되며, 이 경우 포트 바닥은 바람직하게 회전축에 대해 실질적으로 수직으로 배치된다. 팬 블레이드는 포트 형상 허브의 벽부의 외주연에 적합한 방식으로 결합된다. 바람직하게는, 허브가 포트 형상으로 형성되는 한, 포트 개구는 공기 유동에 대항하여, 특히 상대풍 방향 및/또는 자동차 운동 방향에 대항하여 배치된다. 이로써 공기 저항이 감소한다. 이 경우, 바람직하게는 허브의 외측이 실질적으로 매끄럽게 형성된다.

팬 블레이드는 허브에 연결되어 있는데, 예를 들어 허브와 일체형으로 연결되어 있다. 바람직하게, 전체 임펠러는 일체형이고, 이는 제조를 간소화한다. 특히 바람직하게는, 임펠러가 플라스틱으로 제조됨으로써, 무게가 줄고 성형이 간소화된다. 특히 바람직하게, 이 경우 임펠러는 플라스틱 사출 성형 공정으로 제작된다. 특히 임펠러 블레이드라고도 지칭되는 팬 블레이드들은 바람직하게 서로 구조적으로 동일하며, 이는 생산 및 조립을 간소화한다. 팬 블레이드는 회전축에 대해 기울어져 있다. 따라서, 모든 팬 블레이드는 각각 회전축에 대해 기울어져 있는 주 연장 방향을 갖는다. 이 경우, 특히 10° 내지 80° 또는 20° 내지 70°의 각도가 형성된다. 경사로 인해, 임펠러에 의해 작동 중에 공기의 이동이 축방향으로, 즉, 회전축을 따라서 또는 적어도 회전축에 대해 평행하게 수행된다. 또한, 각각의 팬 블레이드가 특히 회전축과 관련하여 실질적으로 방사 방향의 연장부를 가짐으로써, 팬 블레이드는 허브로부터 바깥쪽을 향하게 된다.

팬 블레이드 각각은, 평면도로 볼 때 회전축을 따라 S자형으로 형성된 섹션을 갖는다. 따라서, 개별 섹션 내에서 각각의 팬 블레이드는 회전축에 대해 접선 방향으로 상이하게 만곡된다. 그 결과, 각각의 팬 블레이드는 방사 방향뿐만 아니라 접선 방향으로도 연장부를 가지며, 이 경우 접선 방향이 변경됨에 따라 단 하나의 만곡부만 존재하지는 않는다. 예를 들어, 이 경우 각각의 팬 블레이드는 예를 들어 직선으로 형성되고 실질적으로 방사 방향으로 연장되는 또 다른 섹션도 갖는다. 대안적으로, 상기 또 다른 섹션은 예를 들어 평면도로 볼 때 회전축을 따라 C자형으로 형성된다. 특히, 각각의 팬 블레이드는 복수의 또 다른 섹션을 포함한다. 이에 대한 일 대안예에서는 모든 팬 블레이드가 각각 S자형 섹션에 의해 형성된다.

특히, 허브 영역에서의 각각의 팬 블레이드의 연장부는 실질적으로 방사상이며, 즉, 특히 엄밀하게 방사상이거나, 주로 5°, 2° 또는 1°의 편차가 있다. S자형 섹션으로 인해, 특히 각각의 팬 블레이드의 반경방향 외측 단부가 반경방향 내측 단부에 대해 각각의 접선 방향으로 오프셋된다. 예를 들어, 각각의 반경방향 외측 단부는 방사 방향 및 접선 방향의 연장부를 갖는다. 그러나, 특히 바람직하게는 반경방향 외측 단부가 반경방향으로만 연장되는 것이 적합하며, 이 경우 예를 들어 엄밀하게 반경방향에 대해 10°, 5°, 2° 또는 0°의 편차가 존재한다. 예를 들어, 완전한 S자형 섹션은 개별 팬 블레이드의 또 다른 구성 부품과 관련하여 우선 회전 방향(preferred rotational direction)으로 오프셋된다. 이 경우, 반경방향 외측 단부만, 적어도 S자형 섹션의 또 다른 구성 부품과 관련하여, 우선 회전 방향과 반대 방향으로 오프셋된다.

S자형 섹션으로 인해, 각각의 팬 블레이드는 노즐 타입으로도 그리고 디퓨저 타입으로도 작용한다. 따라서, 작동 시 임펠러를 통과하는 공기 흐름 내로, 회전축과 관련하여 반경방향 외측으로 향하는 이동 성분이 도입되며, 그 결과 공기 흐름은 특히 회전축에 대해 평행한 공기 흐름 방향으로, 임펠러 뒤에서 임펠러에 의해 덮인 면적보다 큰 면적을 통과한다. 확대된 면적으로 인해 공기 흐름의 속도가 감소하고, 결과적으로 압력이 상승한다. 그렇기 때문에, 임펠러를 통해 증가한 공기량이 이송되며, 이때 임펠러의 회전 속도는 증가하지 않는다. 그 결과, 임펠러는 실질적으로 일정한 출력으로 작동될 수 있다. 요약하면, 체적 유량, 즉, 공기 유동률이 증가함으로써, 냉각 성능이 개선된다. 대안적으로, 동일한 공기 유동률에서 더 낮은 회전 속도로 임펠러를 작동시키는 것이 가능하며, 이는 소음 발생을 줄인다.

또한, 임펠러에 의해 공기 흐름 내로 반경방향 이동 성분이 도입됨에 따라 공기 흐름이 부채꼴 형상으로 수행되며, 그 결과 공기 흐름이 그 후방에 배치된, 내연기관과 같은 물체에 그대로(bluntly) 부딪히지 않게 된다. 따라서, 공기 흐름 내에 소용돌이와 난류가 덜 생성되며, 이는 재차 효율을 높이고 소음 발생을 줄인다. 또한, 임펠러의 구성 부품으로부터 공기 흐름의 분리가 방지되고, 이로써 추가 난류가 방지되어 마찬가지로 효율이 높아지고 과도한 소음 발생이 방지된다.

특히, S자형의 섹션으로 인해, 회전축과 관련하여 상이한 2개의 회전 방향으로 임펠러를 작동시킬 수 있다. 그러나 특히 바람직하게는, 임펠러가 단 하나의 우선 회전 방향만을 갖는다. 이 경우, 임펠러는 특히 우선 회전 방향으로만 작동할 수 있다. 예를 들어, 팬 블레이드는 그 연장부에 대해 그리고/또는 개별 방사 방향에 대해 수직으로 공기역학적 프로파일을 가지며, 이 프로파일은 적합한 방식으로 두꺼워진 부분을 갖는다. 공기역학적 프로파일로 인해, 공기 흐름의 이송이 개선된다. 특히, 각각의 팬 블레이드의 횡단면은 일정한데, 특히 개별 방사 방향에 대해 수직이다. 따라서, S자형 구성으로 인해 횡단면이 변하지 않으며, 이는 제조를 간소화한다.

특히, 섹션의 S자형의 구성으로 인해, 팬 블레이드의 반경방향 단부가 선호하는 방향과 반대 방향으로 오프셋된다. 달리 표현하면, 팬 블레이드는, 접선 방향으로 우선 회전 방향으로 가장 광폭으로 오프셋된 단부가 팬 블레이드의 반경방향 단부 앞에, 특히 팬 블레이드의 2개의 반경방향 단부 앞에 위치하도록 배치된다. 그러나 적어도 각각의 팬 블레이드의 반경방향 외측 단부는 우선 회전 방향으로의 팬 블레이드의 접선 방향 단부를 형성하지 않는다. 이러한 배치로 인해, 팬 블레이드의 반경방향 단부의 영역에서 공기 흐름의 분리가 방지되며, 그 결과 임펠러를 통과하여 상기 임펠러에 의해 이송되는 공기 흐름 내로 비교적 난류가 덜 유입된다. 따라서, 효율이 더욱 증대되고, 소음 발생이 더욱 감소한다.

예를 들어, 우선 회전 방향과 관련하여 후방의 개별 팬 블레이드 에지는 평면도로 볼 때 우선 회전 방향으로 직선이다. 달리 표현하면, 이 에지는 더 적합한 방식으로는 반경방향의 그리고 경우에 따라 접선 방향의 프로파일만을 갖는다. 그러나 축방향으로는, 즉, 회전축에 대해 평행하게는 상기 에지가 연장부를 갖지 않는다. 하지만, 특히 바람직하게는, 우선 회전 방향과 관련하여 후방의 팬 블레이드 에지는 평면도로 볼 때 우선 방향으로 물결 모양이다. 따라서, 상기 에지는 축방향으로, 즉, 회전축에 대해 평행하게, 특히 접선 방향으로 교대하는 연장부를 갖는다. 적합한 방식으로는, 이 에지에 의해 물결 모양, 즉, 더 적합한 방식으로는 사인파 형상 또는 실질적으로 사인파 형상이 형성된다. 예를 들어, 횡단면은 각각의 팬 블레이드의 후방 단부의 영역에서 회전축에 대해 평행하게 물결 모양으로 형성된다. 물결 모양으로 인해 공기 유동률이 개선되고, 이로 인해 효율이 더욱 증대된다. 이 경우, 후방 에지의 물결 형상에 의해, 임펠러를 통과하는 공기 흐름 내로 적합한 유동 프로파일이 도입된다. 특히, 이로 인해 반경방향 외측을 향하는 추가 이동 성분이 공기 흐름 내로 도입되고, 그 결과 공기 유동률이 더욱 증가한다.

예를 들어, 우선 회전 방향과 관련하여 전방의 팬 블레이드 에지는 평면도로 볼 때 상기 우선 방향과 반대 방향으로 물결 모양으로 형성된다. 하지만, 특히 바람직하게는 이 에지가 직선이다. 따라서, 팬 블레이드를 따라 이루어지는 공기 안내가 개선된다. 이 경우, 특히 바람직하게 전방 에지가 라운딩 처리되며, 이는 유동 저항을 감소시킨다. 바람직하게, 각각 우선 회전 방향과 관련하여 팬 블레이드의 전방 에지는 직선이고 팬 블레이드의 후방 에지는 물결 모양이며, 이들 에지 사이에서 특히 연속적인 전이 또는 적어도 부분적으로 연속적인 전이가 이루어진다. 달리 표현하면, 각각의 팬 블레이드는 무단 형태이다(stepless). 따라서, 유동 저항은 더욱 감소한다.

예를 들어, S자형 섹션은 반경방향으로 실질적으로 개별 팬 블레이드의 중심에 배치된다. 그 대안으로, 특히 각각의 팬 블레이드의 반경방향 내측 단부는 S자형 섹션에 의해 형성된다. 하지만, 특히 바람직하게는, 모든 S자형 섹션이 각각 회전축과 관련하여 반경방향으로 외측을 향해 오프셋된다. 달리 표현하면, 각각의 S자형 섹션은 바람직하게 각각의 팬 블레이드의 외측 반부에 위치한다. 예를 들어, 각각의 팬 블레이드의 외측 반부는 S자형 섹션에 의해 형성된다. 이 경우, 각각의 팬 블레이드의 반경방향 내부는 예를 들어 직선으로 또는 평면도로 볼 때 C자 형상으로 형성된다. 임펠러의 반경방향 외부 영역에서 팬 블레이드의 속도가 증가함으로써, 이 영역에서의 S자형 섹션의 효과가 증대된다. 또한, 이 영역에서는 팬 블레이드에 의해 이동된 공기량도 증가된다. 달리 표현하면, 이 경우 실질적으로 최대로 가능한 공기 체적 유량이 S자형 섹션에 의해 이동된다.

예를 들어, 팬 블레이드의 배향이 접선 방향으로 교대됨에 따라, S자형 섹션들은 각각 서로를 향한다. 하지만, 바람직하게는 S자형 섹션들이 동일한 방향을 향한다. 그 대안으로 또는 그와 조합하여, 예를 들어 S자형 섹션들이 허브로부터 반경방향으로 상이하게 이격된다. 특히, 이 경우 접선 방향으로 인접한 팬 블레이드들 사이의 거리가 교대된다. 바람직하게, 팬 블레이드들은 허브와 관련하여 회전 대칭으로 배열된다. 바람직하게, 대칭각(360°)은 팬 블레이드의 개수로 분할된다. 특히 바람직하게는, 전체 임펠러가 회전 대칭으로 형성되며, 이 경우 회전각, 특히 360°가 팬 블레이드의 개수로 분할된다. 회전 대칭 형상으로 인해, 불균형이 방지되거나 적어도 감소함으로써, 작동 중에 소음 발생이 감소한다. 임펠러의 기계 구성 요소 및 이와 연결된 구성 부품의 부하, 특히 가능한 전기 모터의 부하도 감소한다.

예를 들어, 팬 블레이드는 점차 좁아지는 형태로 형성되며, 예를 들어 반경방향으로 좁아진다. 따라서, 각각의 팬 블레이드의 개별 반경방향 외측 단부는 접선 방향으로 그리고/또는 각각의 반경방향에 대해 수직으로 반경방향 내측 단부보다 더 작은 연장부를 갖는다. 그 대안으로, 반경방향 내측 단부들 또는 이들 사이에 놓인 팬 블레이드 영역이 좁아진다. 하지만, 특히 바람직하게는, 접선 방향으로의 각각의 팬 블레이드의 연장부가 변하지 않거나, 접선 방향으로의 개별 팬 블레이드의 연장부의 10% 미만으로 변동한다. 특히 바람직하게, 접선 방향으로의 변동은 개별 팬 블레이드의 연장부의 5% 미만이다. 따라서, 제작이 간소화되고 중량이 감소하며, 그럼에도 비교적 견고한 임펠러가 구현된다. 조정 및 특히 시뮬레이션도 간소화된다. 또한, 이러한 방식으로 각각의 팬 블레이드에 의해 비교적 많은 공기량이 이송된다.

예를 들어, 각각의 팬 블레이드는 반경방향으로 뭉툭하게 끝난다. 그 대안으로, 팬 블레이드의 반경방향 외측 단부가 특히 윙릿(winglet)처럼 구부러진다. 또는, 특히 바람직하게 임펠러는, 허브에 대해 동심으로 배치되고 팬 블레이드의 반경방향 외측 단부가 연결되어 있는 외부 링을 구비한다. 따라서, 팬 블레이드는 상기 외부 링에 의해 안정화된다. 예를 들어 외부 링은 실질적으로 중공 원통형으로 형성된다. 예컨대, 외부 링은 축방향으로, 즉, 회전축에 대해 평행하게, 1㎝ 내지 10㎝, 예를 들어 2㎝ 내지 5㎝ 그리고 적합한 방식으로는 딱 3㎝의 연장부를 갖는다.

외부 링에 의해 특히, 임펠러와 이 임펠러의 둘레를 에워싸는 팬 슈라우드(fan shroud) 사이에서의 공기 누출이 제한되거나 방지된다. 적합한 방식으로는, 이를 위해 외부 링의 외면에 씰(seal), 예를 들어 브러시 씰이 결합된다. 그 대안으로 또는 그와 조합하여, 외부 링이 적어도 부분적으로 래비린스 씰처럼 제작되고, 그 결과 조립 상태에서 상응하는 (특히 팬 슈라우드의) 윤곽으로부터 이격되어 있으면서 상기 윤곽에 맞물리는 윤곽을 갖는다. 따라서, 한 편으로는 마찰이 증가하지 않고, 다른 한 편으로는 임펠러와 슈라우드 사이에서의 공기 통과, 특히 주행 방향과 반대 방향으로의 공기 통과가 방지된다. 따라서 효율이 더욱 증대된다.

냉각 팬은 자동차의 구성 부품이며, 적합한 방식으로는 내연기관을 냉각하는 데 이용된다. 달리 표현하면, 냉각 팬은 메인 팬이다. 그 대안으로, 냉각 팬은 예를 들어 공조 시스템의 구성 부품 또는 자동차의 보조 장치이다. 냉각 팬은 적합한 방식으로 라디에이터를 포함하며, 이 라디에이터는 특히, 바람직하게 복수의 파이프가 통과하는 라디에이터 네트워크를 구비한다. 이 경우 라디에이터 네트워크는 예컨대 파이프와 열적으로 접촉한다. 파이프 내부에서는 작동 중에 바람직하게 냉각액이 안내된다. 라디에이터 네트워크는 예를 들어 실질적으로 직육면체로 형성된다. 또한, 냉각 팬은 원형 리세스를 가진 팬 슈라우드를 포함한다. 원형 리세스 내부에는, 적합한 방식으로 상기 리세스에 대해 그리고/또는 팬 슈라우드에 대해 평행하게, 허브를 갖는 임펠러가 배치되며, 이 허브에는 임펠러의 회전축에 대해 기울어져 있는 복수의 팬 블레이드가 연결된다. 팬 블레이드는 각각, 평면도로 볼 때 회전축을 따라 S자형으로 형성된 섹션을 갖는다. 바람직하게는 임펠러가 리세스에 대해 동심으로 배치된다.

또한, 냉각 팬은, 예를 들어 브러시형 정류자 모터이거나 바람직하게는 브러시리스 직류 모터(BLDC)인 전기 모터를 포함한다. 전기 모터는 팬 슈라우드에 부착된다. 예를 들어, 팬 슈라우드는 복수의 스트럿(strut)에 의해 리세스 위에 고정되어 있는 모터 브래킷(motor bracket)을 포함한다. 이 경우, 전기 모터의 회전축은 리세스에 대해 수직으로 배치되고, 특히 임펠러의 회전축 상에서, 바람직하게는 리세스의 중심점을 통과하는 직선상에서 연장된다. 예를 들어, 전기 모터는 모터 브래킷과 접착되거나 나사 연결된다. 따라서, 전기 모터는 모터 브래킷에 비교적 단단히 고정된다.

임펠러는 전기 모터에 의해 구동되며, 바람직하게 전기 모터에, 예를 들어 전기 모터의 샤프트에 결합된다. 예컨대, 허브는 전기 모터와 기계적으로 직접 결합된다. 예컨대, 이 경우 임펠러는, 팬 블레이드의 반경방향 단부가 결합되어 있는 외부 링을 추가로 포함한다. 외부 링에 의해 팬 블레이드의 안정화가 이루어지며, 이와 같은 안정화는 음향 효과(acoustic effect)를 개선한다. 특히, 외부 링은 팬 슈라우드의 상응하는 수용부 또는 윤곽 내에 맞물리며, 이들은 바람직하게 서로 이격되어 있다. 특히, 이들 사이에는 래비린스 씰이 형성된다. 따라서, 누출 공기의 확산이 억제된다. 그 대안으로 또는 그와 조합하여, 외부 링과 팬 슈라우드 사이에 브러시 씰 등이 배치된다.

팬 슈라우드는 바람직하게 라디에이터에 결합되며, 적합한 방식으로 부착된다. 예를 들어, 팬 슈라우드는 라디에이터에 나사로 고정되거나 라디에이터와 접착된다. 특히, 팬 슈라우드는 라디에이터 네트워크를 전부 덮는다. 달리 표현하면, 팬 슈라우드는 라디에이터 네트워크 또는 예를 들어 전체 라디에이터와 합동이다. 따라서, 라디에이터와 팬 슈라우드 사이에서의 공기 통과가 억제되고, 결과적으로 팬 슈라우드에 의해 공기가 비교적 효율적으로 안내된다. 팬 슈라우드는 바람직하게 라디에이터 하류 측에, 즉, 적합한 방식으로 자동차의 주행 방향으로 라디에이터 후방에 배치된다.

임펠러와 관련하여 언급한 장점 및 개선예는 냉각 팬에서도 유사하게 적용될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

이하에서는, 도면을 토대로 본 발명의 실시예들이 더 상세하게 설명된다.

도 1은 냉각 팬을 구비한 육상 기반 자동차의 개략도이다.
도 2는 임펠러를 구비한 냉각 팬을 부분적으로 개략적으로 단순화한 분해도이다.
도 3은 임펠러의 평면도이다.
도 4는 임펠러의 부분 평면도이다.
도 5는 도 4에 따른 임펠러의 한 대안적인 실시예이다.
도 6은 도 5에 따른 임펠러를 회전 방향과 반대 방향으로 바라보고 도시한, 팬 블레이드의 평면도이다.

모든 도면에서 서로 대응되는 부분에는 동일한 참조 부호가 부여되어 있다.

도 1에는, 내연기관(4)을 구비한 자동차(2)가 개략적으로 단순화되어 도시되어 있다. 내연기관(4)에 의해 자동차(2)의 구동이 수행된다. 이를 위해, 내연기관(4)은 도면에 상세하게 도시되지 않은 구동 트레인에 의해 자동차(2)의 4개의 휠(6) 중 하나 이상의 휠과 작동 연결되어 있다. 또한, 자동차(2)는 연소 엔진(4)의 냉각에 이용되는 냉각 팬(8)을 포함한다. 따라서, 냉각 팬(8)은 자동차(2)의 메인 팬이다. 냉각 팬(8)은 복수의 라인(10)에 의해 내연기관(4)과 유체 공학적으로 연결되어 있으며, 이들 라인을 통해 작동 중에 냉각액이 냉각 팬(8)으로부터 내연기관(4)으로 안내되고, 그곳에서 냉각 채널을 통해 안내된다. 냉각액에 의해 과도한 열이 흡수되어 역으로 냉각 팬(8)으로 가이드되며, 냉각 팬에 의해 냉각액의 냉각이 수행된다.

냉각 팬(8)은 상세히 도시되지 않은 라디에이터 네트워크를 갖는 라디에이터(12)를 구비하며, 라디에이터 네트워크를 통해 복수의 파이프가 안내되고 이 라디에이터 네트워크와 열적으로 접촉되어 있다. 파이프가 라인(10)과 유체 공학적으로 결합되어 있음으로써, 작동 중에는 냉각액이 파이프를 통해 안내된다. 냉각 팬(8)은, 자동차(2)의 주행 방향(16)으로 라디에이터(12) 후방에 배치된 팬 슈라우드(14)를 더 포함한다. 팬 슈라우드(14)에는 전기 모터(18)가 부착되어 있다. 작동 중에는, 상대풍이 라디에이터(12)를 통과하고, 팬 슈라우드(14)에 의해 적합하게 형성된다. 자동차(2)가 정지 상태에 있는 경우에는, 전기 모터(18)에 의해 공기가 라디에이터(12)를 통해 흡입됨으로써, 라디에이터(12)는 작동 중에 실질적으로 항상 또는 적어도 존재하는 요건에 따라 공기 흐름에 의해 관통된다. 그럼으로써 라디에이터(12)의 냉각이 수행되고, 이 때문에 내연기관(4)의 비교적 긴 작동 후에도 냉각 팬(8)의 과열이 일어나지 않는다. 또한, 팬 슈라우드(14)에 의해 냉각 팬(8)을 통과하는 공기가 내연기관(4)으로 안내되고, 이러한 방식으로 내연기관은 외부로부터 추가로 냉각된다.

도 2에는, 냉각 팬(8)이 개략적으로 단순화되어 사시 분해도로 도시되어 있으며, 여기에는 라디에이터(12)가 생략되어 있다. 라디에이터(12)에는, 상세히 도시되지 않은 라디에이터 네트워크를 완전히 덮고 라디에이터 네트워크와 합동인 팬 슈라우드(14)가 부착되어 있다. 팬 슈라우드(14)는 실질적으로 평탄하게 형성되고, 주행 방향(16)에 대해 수직으로 배향되어 있는 원형 리세스(20)를 갖는다. 리세스(20)는 직경이 30㎝이며, 중공 실린더 형상으로 형성되어 상기 리세스(20)에 대해 동심으로 배치된 에지(22)에 의해 둘레 측이 둘러싸여 있다. 에지(22)의 직경은 리세스(20)의 직경과 같으며, 에지(24)는 리세스(22)를 기준으로 축방향으로, 즉, 주행 방향(16)에 대해 평행하게 2㎝의 길이를 갖는다. 조립된 상태에서, 에지(22)는 라디에이터(12)로부터 먼 쪽을 향하는 팬 슈라우드(14)의 측에 위치한다.

팬 슈라우드(14)는, 리세스(20) 상부에 주행 방향(16)과 반대 방향으로 배치된 모터 브래킷(24)을 더 포함한다. 조립된 상태에서는 모터 브래킷(24)에 의해 전기 모터(18)가 파지되고, 이로써 전기 모터(18)가 모터 브래킷에 부착되어 있다. 이때, 전기 모터(18)는 라디에이터(12)의 맞은편에 놓인 팬 슈라우드(14)의 측에 위치한다. 전기 모터(18)의 샤프트(34)는 주행 방향(16)으로 모터 브래킷(32)을 통과해서 돌출하고, 임펠러(28)의 허브(26)에 일체로 회전하도록 고정된다. 따라서, 임펠러(38)는, 모터 브래킷(24)에 의해 파지되어 있는 전기 모터(18)에 의해 구동된다. 허브(26)에는, 둘레 측에서 외부 링(32)에 의해 둘러싸여 있고 외부 링에 연결된 복수의 팬 블레이드(30)가 연결되어 있다. 허브(26), 팬 블레이드(30) 및 외부 링(32)은 플라스틱 사출 성형 공정으로 일체형으로 제작된다.

조립된 상태에서, 임펠러(28)는 리세스(22) 내부에 리세스에 대해 평행하게 배치되며, 이 경우 외부 링(32)은 반경방향으로 둘레 측에서 에지(24)에 의해 둘러싸인다. 작동 중에는, 전기 모터(18)에 의해 임펠러(38)가 주행 방향(16)에 대해 평행하고 리세스(20)의 중심점을 통과하는 회전축(34)을 중심으로 회전한다. 따라서, 작동 중에 공기는 리세스(22)를 통해 주행 방향(16)과 반대 방향으로 흡입된다. 외부 링(32)과 에지(24) 사이에서는, 상세히 도시되지 않은 씰, 예를 들어 래비린스 씰로 인해 공기의 관류가 저지된다.

또한, 팬 슈라우드(14)는, 플랩(38)에 의해 덮여 있는 개구를 포함하는 동압 플랩(dynamic pressure flap)(36)을 포함한다. 주행 방향(16)으로 팬 슈라우드(14) 전방에서 비교적 높은 압력(공기 압력)이 우세한 경우, 특히 자동차(2)가 비교적 빠르게 이동할 때에는, 임펠러(28)로 인해 리세스(20)를 통과하는 공기의 관류가 부분적으로 저지되거나 임펠러(28)가 비교적 빠르게 회전되어야 할 것이다. 그러나 이는 전기 모터(18) 및 또 다른 구성 요소의 부하 증가 및 소음 발생 증가를 초래할 것이다. 그렇기 때문에, 특정 압력부터는 플랩(38)이 선회되고 개구가 개방됨으로써, 이 개구를 통과하여 공기가 흐를 수 있게 된다. 따라서, 주행 방향(16)으로 팬 슈라우드(14) 전방에 위치하는 라디에이터(12)를 통과하는 공기 유동률이 증가한다.

팬 슈라우드(14) 전방에서의 공기 압력이, 자동차(2)가 정지 상태에 있을 때처럼 비교적 낮은 경우에는 플랩(38)이 닫혀 있음으로써, 동압 플랩(36) 및 리세스(22)의 개구를 통해서만 통과하는 순환 공기 흐름의 형성이 저지된다. 따라서, 라디에이터(12)는 항상 충분한 공기 흐름에 의해 관류되기도 한다.

도 3에는, 임펠러(28)가 주행 방향(16)과 반대 방향으로 회전축(34)을 따라 평면도로 도시되어 있다. 도 4에는, 임펠러(28)가 도 3의 도시에 상응하게 단면 방식으로 확대된 상태로 도시되어 있다. 허브(26)는 포트 형상으로 형성되며, 허브(26)의 바닥은 주행 방향(16)을 향한다. 허브(26)의 외벽에는 팬 블레이드들(30)이 연결되어 있다. 본 도면에 도시된 변형예에서, 임펠러(28)는 상기 유형의 팬 블레이드(30)를 총 9개 구비하고 있다. 팬 블레이드들(30)은 허브(26)에 대해 회전 대칭으로 배열되어 있으며, 이때 대칭 축은 회전축(34)과 일치한다. 이 경우, 전체 임펠러(28)가 회전 대칭이며, 대칭 각도는 40°에 상응한다.

외부 링(32)과 허브(26) 사이에는 회전축(34)을 기준으로 방사 방향으로 팬 블레이드들(30)이 배열되어 있으며, 이들 팬 블레이드의 반경방향 외측 단부(40)가 외부 링(32)에 결합되어 있다. 외부 링(32)은 허브(26)에 대해 동심으로 배치되고, 그 결과 회전축(34)에 대해서도 동심으로 배치된다. 각각의 팬 블레이드(30)의 반경방향 내측 단부(42)는 허브(26)에 결합되어 있고, 이 허브에 일체형으로 형성되어 있다. 이때, 각각의 팬 블레이드(30)는 양측 반경방향 단부(40, 42)의 영역에서 각각 실질적으로 반경방향 연장부를 갖는다.

각각의 팬 블레이드(30)가 회전축(34)에 대해 기울어져 있고, 이 회전축에 대해 80° 내지 60°의 각도를 가짐으로써, 회전축(34)을 따라 팬 블레이드들(30) 사이에 형성된 개구를 통과하는 공기의 비교적 효과적인 이동이 가능하다. 팬 블레이드(30)의 경사로 인해, 우선 회전 방향(43)이 형성된다. 임펠러(28)가 회전축(34)을 중심으로 우선 회전 방향(43)으로 회전하는 경우, 공기가 임펠러(28)에 의해 라디에이터(12)를 통해 흡입된다. 다른 회전 방향으로, 공기는 주행 방향(16)으로 라디에이터(12)를 통과해서 이동할 것이다. 또한, 효율 개선을 위해 팬 블레이드(30)는 윤곽 성형(profiling)되고, 이로써 공기 역학적 프로파일을 갖게 된다. 이로써, 공기 유동률이 증가한다. 요약하면, 임펠러(28)는 회전축(34)을 중심으로 우선 회전 방향(43)을 갖는다.

각각의 팬 블레이드(30)는 반경방향 내측 섹션(44)을 구비하며, 이 내측 섹션은 실질적으로 직선으로 반경방향으로 형성되거나, 평면도로 볼 때 회전축(34)을 따라 약간 C자형으로 형성된다. 반경방향 내측 섹션(44)은 반경방향 내측 단부(42)를 가지며, S자형으로 형성된, 반경방향 외측 단부(40)를 가진 섹션(46)으로 이어진다. 따라서, S자형 섹션(46)은 회전축(34)을 기준으로 각각의 반경방향으로 외측을 향해 오프셋된다. 섹션(46)의 S자형 구성으로 인해, 팬 블레이드(30)의 반경방향 외측 단부(40)는 우선 회전 방향(48)과 반대 방향으로 오프셋되며, 이 경우 전체 S자형 섹션(46)은 각각의 반경방향 내측 섹션(44)에 대해 각각 우선 회전 방향(43)으로 오프셋된다.

요약하면, 팬 블레이드(30)는 회전축(34)에 대해 기울어져 있고, 각각 평면도로 볼 때 회전축(34)을 따라 S자형 섹션(46)을 갖는다. 이때, 접선 방향으로의, 즉, 우선 회전 방향(43)에 대해 평행한 각각의 팬 블레이드(30)의 연장부는 변하지 않거나, 접선 방향으로의 개별 팬 블레이드(30)의 연장부의 5% 미만만큼만 변한다. 달리 표현하면, 각각의 팬 블레이드(30)는 접선 방향으로, 즉, 우선 회전 방향(43)을 따라 동일한 두께를 갖는다. 따라서 비교적 효과적인 공기 이동이 가능하다.

S자형 섹션(46)으로 인해, 임펠러(28)가 유입측, 즉, 라디에이터(12)의 측에서는 노즐처럼 작용하고, 하류측, 즉, 라디에이터(12)의 맞은편에 놓인 측에서는 디퓨저처럼 작용한다. 따라서, 임펠러(28)에 의해 생성되거나 적어도 강화되는 공기 흐름 내로 추가적인 반경방향 이동 성분이 도입되며, 이로써 이동 성분은 내연기관(4)으로부터 멀어지는 방향으로 향하게 된다. 이로써, 공기 흐름이 내연기관(4)에 그대로(bluntly) 부딪히지 않게 되어 난류를 감소시킨다. 또한, 공기 흐름에 의해 관류되는 면적이 배출측에서, 즉, 주행 방향(16)과 반대 방향으로, 리세스(20)의 크기에 비해 확장되며, 그에 따라 공기 속도가 감소하고, 그 결과 압력이 상승한다. 결과적으로, 회전축(34)을 중심으로 하는 회전 속도가 일정하게 유지되는 경우, 팬 슈라우드(14)를 통과하는 그리고 그로 인해 라디에이터(12)도 통과하는 공기 유동률이 증가한다. 따라서, 효율도 증대된다. 대안적으로, 임펠러(28)를 더 낮은 회전 속도로 회전시키고 이로써 출력이 더 약한 전기 모터(18)를 이용하는 것이 가능하며, 이는 제조 비용을 줄인다. 또한, 소음 발생도 감소한다. 추가로, 외부 링(32)의 영역에서 공기 흐름의 분리 현상이 줄거나 방지되며, 이는 효율을 더욱 증대시킨다.

도 5에는, 도 4의 도시에 상응하게 임펠러(28)의 일 변형예가 도시되어 있으며, 여기서 외부 링(32) 및 허브(26) 그리고 팬 블레이드(30)의 수는 변경되지 않았다. 선행 실시예에서와 마찬가지로, 본 실시예에서도 각각의 팬 블레이드(30)가 우선 회전 방향(43)으로 전방 에지(48)를 갖는다. 전방 에지(48)는 S자형 섹션(46)의 영역에서 마찬가지로 S자형으로 형성되어 있다. 전방 에지(48)는 그의 전체 길이에 걸쳐 자체 연장부에 대해 수직으로 굴곡 처리부를 갖지만, 그 이외의 부분에서는 직선으로 형성되어 있다. 달리 표현하면, 전방 에지(48)는 축방향 연장부, 즉, 회전축(34)에 평행한 연장부는 갖지 않는다. 요약하면, 우선 회전 방향(43)을 기준으로 팬 블레이드(30)의 전방 에지(48)는 평면도로 볼 때 우선 회전 방향(43)과 반대 방향으로는 직선이다.

그러나 선행하는 실시예에 비해, 후방 에지(50)는 평면도에서 우선 방향(34)으로 더 이상 직선으로 형성되어 있지 않다. 오히려, 우선 회전 방향(43)을 기준으로 팬 블레이드(30)의 후방 에지(50)는 도 6에 도시된 바와 같이 평면도에서 우선 회전 방향(34)으로 물결 모양이다. 따라서, 후방 에지(50)는 물결 모양을 가지며, 특히 사인파형 프로파일을 갖는다. 이때, 후방 에지(50)의 영역에서는, 반경방향 내측 섹션(44)뿐만 아니라 S자형 섹션(46)도 물결 모양이다. 2개의 에지(48, 50) 사이의 영역은 실질적으로 연속으로, 그러나 2개의 에지(48, 50) 사이에서는 적어도 항상, 연속으로 연장된다. 선행 실시예에서와 마찬가지로, 후방 에지(50)가 경사로 인해 전방 에지(48)에 대해 주행 방향(16)과 반대 방향으로 오프셋됨으로써, 우선 회전 방향(43)이 생성된다.

요약하면, 각각의 팬 블레이드(30), 즉, 각각의 블레이드 시트는 특히 블레이드 안전장치 타입으로 부메랑 형상으로 구성된 S자형 섹션(46)을 갖는다. 이와 같은 구성에 의해, 특히 라디에이터(12)가 존재하는 한, 외부 링(32)으로부터의 공기 흐름의 분리가 방지되거나 적어도 감소한다. 또한, 특히 라디에이터(12)가 존재하지 않는 경우에는, 임펠러(28)를 통과하는 공기 흐름 내로 이동 성분이 반경방향 외측을 향해 도입된다. 따라서, 공기는 배출 방향으로 반경방향 외측으로 안내된다. 이러한 구성으로 인해, 효율이 증대되고, 소음 발생에 긍정적으로 작용한다.

본 발명은 전술한 실시예들에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명의 대상을 벗어나지 않으면서, 통상의 기술자에 의해 본 발명의 다른 변형예들도 도출될 수 있다. 특히, 개별 실시예들과 관련하여 기술된 모든 개별 특징들도 본 발명의 대상을 벗어나지 않으면서 다른 방식으로 서로 조합될 수도 있다.

2: 자동차
4: 내연기관
6: 휠
8: 냉각 팬
10: 라인
12: 라디에이터
14: 팬 슈라우드
16: 주행 방향
18: 전기 모터
20: 리세스
22: 에지
24: 모터 브래킷
26: 허브
28: 임펠러
30: 팬 블레이드
32: 외부 링
34: 회전축
36: 동압 플랩
38: 플랩
40: 반경방향 외측 단부
42: 반경방향 내측 단부
43: 우선 회전 방향
44: 반경방향 내측 섹션
46: S자형 섹션
48: 전방 에지
50: 후방 에지

Claims

자동차(2)의, 특히, 복수의 팬 블레이드(30)가 연결되어 있는 허브(26)를 갖는 냉각 팬(8)의 임펠러(28)로서,
팬 블레이드(30)는 임펠러(34)의 회전축(34)에 대해 기울어져 있으며, 평면도로 볼 때 회전축(34)을 따라 S자형으로 형성된 섹션(46)을 각각 갖는, 자동차 임펠러(28).
제1항에 있어서,
회전축(34)을 중심으로 우선 회전 방향(preferred rotational direction)(43)을 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차 임펠러(28).
제2항에 있어서,
섹션(46)의 S자형 구성으로 인해, 팬 블레이드(30)의 반경방향 외측 단부(40)가 우선 회전 방향(43)과 반대 방향으로 오프셋되는 것을 특징으로 하는, 자동차 임펠러(28).
제2항 또는 제3항에 있어서,
우선 회전 방향(43)을 기준으로 팬 블레이드(30)의 후방 에지(50)가 평면도에서 우선 회전 방향(34)으로 물결 모양인 것을 특징으로 하는, 자동차 임펠러(28).
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
우선 회전 방향(43)을 기준으로 팬 블레이드(30)의 전방 에지(48)가 평면도로 볼 때 우선 회전 방향(43)과 반대 방향으로 직선인 것을 특징으로 하는, 자동차 임펠러(28).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
S자형 섹션(46)이 각각 회전축(34)에 대해 반경방향으로 외부를 향해 오프셋되는 것을 특징으로 하는, 자동차 임펠러(28).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
팬 블레이드(30)가 허브(26)에 대해 회전 대칭으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 자동차 임펠러(28).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
접선 방향으로 각각의 팬 블레이드(30)의 연장부 변화는 개별 팬 블레이드(30)의 연장부의 10% 미만, 특히 5% 미만인 것을 특징으로 하는, 자동차 임펠러(28).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
팬 블레이드(30)의 반경방향 외측 단부(40)는 허브(26)에 대해 동심으로 배치된 외부 링(32)에 결합되는 것을 특징으로 하는, 자동차 임펠러(28).
자동차(2)의 냉각 팬(8), 특히 메인 팬으로서, 상기 냉각 팬은, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 임펠러(28)가 내부에 배치되어 전기 모터(18)에 의해 구동되는 원형 리세스(20)를 가진 팬 슈라우드(14)를 포함하며, 상기 전기 모터는 팬 슈라우드(14)에 결합되어 있는, 자동차 냉각 팬.