KR20220107276A - 와이어 스프링을 포함하는 선형 팬 - Google Patents

Abstract

팬 블레이드에 부착된 제1 단부 및 팬 프레임에 부착된 제2 단부를 가진 와이어 스프링을 포함하는 선형 팬 블레이드 조립체를 제공한다. 상기 팬 블레이드는 블레이드가 와이어 스프링을 중심으로 피벗운동함으로써 진동할 수 있도록 자유 단부를 포함하고 있다. 상기 와이어 스프링은 상기 팬 블레이드가 진동할 수 있도록 구부러진다.

Description

와이어 스프링을 포함하는 선형 팬

본 출원은 강제 공기 열 관리 시스템(forced-air thermal management system), 특히 덥고 가혹한 환경의 강제 공기 열 관리 시스템 및 범용 팬 사용처에 사용하기 위한 팬 기술에 관한 것이다.

선풍기 구동식 강제 공기 열전달 시스템이 전자 장치 냉각을 위한 가장 널리 사용되는 열 관리 해결책이다. 최근에, 자동차, 자율 주행 차량, 전기 통신, 실외 전자장치 폐쇄함(outdoor electronics enclosure), 군사, 항공 우주, 에너지 및 LED 조명 사용처와 같은 시장은 전자 제품을 점점 더 뜨겁고 가혹한 환경으로 몰아넣고 있으며, 이로 인해 작동 온도가 증가함에 따라 베어링 윤활유가 기하급수적으로 빠르게 증발하기 때문에 팬 수명을 크게 단축시킬 수 있다. 가혹한 환경에서는, 베어링이 윤활유의 열화를 초래하는 대기 오염 물질을 빨아들일 수도 있고, 이것에 의해 팬 수명을 더욱 단축시킬 수 있다.

선형 팬(예를 들면, 캔틸레버 팬)은 스프링을 중심으로 피벗운동하는 진동 블레이드를 통해 공기를 이동시키기 때문에, 선형 팬은 베어링이 필요하지 않으므로 온도나 윤활유의 열화에 의해 수명이 영향을 받지 않는다. 스프링의 최대 휨 응력이 재료의 피로 한계보다 작은 경우 철 금속으로 만든 피벗 스프링을 사용하는 선형 팬은 소위 "무한 수명"을 얻을 수 있다. 그러나, 강판 금속 피벗 스프링은 문제가 있는 것으로 판명되어 상업적인 성공을 거두지 못하였다.

스프링 클램프 블록(2), 판금 스프링(4) 및 강성 팬 블레이드(6)를 포함하는 전형적인 종래 기술의 선형 팬 구조가 도 1에 도시되어 있다. 상기 블레이드(6)는 블레이드 진동을 수용하기 위해 구부러지는 판금 스프링(4)을 중심으로 피벗운동함으로써 앞뒤로 진동한다. 구부러지는 스프링을 중심으로 피벗운동하는 강성 블레이드로 이루어진 이러한 구조는 상업적으로 실행 가능한 선형 팬에 필요한 동적 안정성에 필수적이다.

공기 흐름을 일으키기 위해, 블레이드는 도 1의 곡선 화살표로 표시된 것과 같이 ± x 방향으로 기본 피벗 모드로 진동해야 한다. 블레이드 조립체가 더 높은 진동 모드에서 들뜬(excited) 상태가 되면, 이러한 더 높은 모드의 진동은 기본 진동에 중첩되어 블레이드의 동적 불안정, 높은 스프링 응력 및 과도한 소음으로 인한 조기 스프링 고장을 초래한다.

도 1에 도시된 구조에 대해서, 스프링 높이(H_S)에 대한 블레이드 높이(H_B)의 비율이 클수록 블레이드 조립체의 동적 안정성이 커진다. H_B/H_S 비율이 클수록 블레이드가 경첩에 달린 단순한 패널처럼 더 동적으로 거동한다.

전체 높이를 따라 자유롭게 구부릴 수 있는 완전 캔틸레버 블레이드(full cantilever blade)와 비교할 때, H_B/H_S 비율이 높은 도 1의 구조는 동적 불안정으로 이어지는 원치 않는 더 높은 공진 모드의 수를 크게 줄이고 이들 높은 모드와 기본 피벗 모드 사이의 진동수 분리도 증가시킨다. 이러한 장점은 스프링이 스프링 자체의 불안정성을 블레이드 조립체에 전하지 않는 한 인정될 것이다.

이론적으로 도 1의 블레이드 조립체 구조는 높은 안정성을 제공하는 것 같지만, 실제로는 판금 피벗 스프링을 사용하면 블레이드 조립체를 상업적으로 실행 가능하지 못하게 하는 불안정성을 초래한다. 각 구성요소에 필요한 서로 다른 재료는 서로 다른 열팽창 계수(CTE) 값을 가진다. 따라서, 작동 중에 온도가 변화함에 따라, 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인해 판금 스프링이 비틀려서 (1) 스프링 강성의 주기적 변화, (2) 이로 인한 동적 불안정성, (3) 스프링의 피로 한계를 초과하는 응력 집중부(stress riser)가 관련 팬 수명을 상업적으로 달성할 수 없게 하는 것 및 (4) 판금 스프링의 주기적 스냅 스루(snap-through)로 인한 상업적으로 허용할 수 없는 소음 수준을 초래한다. 도 1을 참조하면, 이러한 열팽창 계수(CTE) 불일치는 모든 블레이드 폭(W)에서 문제가 되지만, 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인한 구성요소 비틀림은 블레이드 폭(W)이 증가함에 따라 분명히 비례적으로 더욱 심해진다.

도 1의 구조에 판금 스프링을 포함하는 것의 다른 단점은 허용 가능한 에너지 효율과 유용한 공기 유동률을 위해 충분히 높은 공진 진동수를 제공하는 데 필요한 큰 스프링 K(강성) 값으로 작동하기 위해 선형 팬이 질량-스프링 공진 진동수(mass-spring resonant frequency)나 이에 근사한 진동수로 작동해야 한다는 것이다. 동적 블레이드 안정성에 필요한 짧은 높이(H_S) 내에서, 판금 스프링은 스프링의 피로 한계를 초과하지 않고서 상업적으로 적절한 유동률을 위한 충분히 큰 스프링 K 값을 제공할 수 없으며, 그 결과 급속한 팬 고장을 초래한다.

판금 스프링의 또 다른 단점은 재료를 사용하기 위한 크기로 절단하면, 응력 집중부를 초래하는 버(bur)와 갈라진 틈을 제거하기 위해 사용시에 반복적으로 구부러지는 절단된 가장자리가 먼저 가장자리 다듬질 작업을 거쳐야 한다는 것이다. 이러한 응력 집중부는 재료의 공인된 피로 한계보다 훨씬 낮은 스프링 휨 응력에서 스프링의 균열 전파 파손(crack propagation failure)으로 이어질 수 있다. 압연기에서 만들어진 판금의 품질과 재료 특성에 관계없이, 판금의 수명과 신뢰성은 2차 가장자리 다듬질 작업을 한 만큼만 좋다.

따라서, 상업적 실행 가능성을 달성하기 위해 임의의 폭(W)의 선형 팬에 대해, 실용적인 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인한 블레이드 조립체 구성요소의 다양한 치수 변화를 흡수할 수 있음과 아울러 스프링 고장 없이 또는 도 1의 구조의 고유한 동적 안정성을 방해하지 않고 상업적으로 유용한 공기 유동률에 필요한 큰 스프링 K 값을 제공할 수 있는 피벗 스프링이 필요하다.

뜨겁고 가혹한 환경에서 팬 수명 연장에 대한 현재 충족되지 않은 시장 요구를 충족시키기 위해, 본 발명은 종래 기술의 판금 스프링의 상기한 한계를 극복하는 와이어 스프링을 포함하는 팬에 관한 것이다.

본 발명의 한 실시형태에 따르면, 선형 팬 블레이드 조립체를 제공한다. 상기 선형 팬 블레이드 조립체는 팬 블레이드에 부착된 제1 단부와 팬 프레임에 부착된 제2 단부를 가진 와이어 스프링을 포함하고 있고, 상기 팬 블레이드는 상기 와이어 스프링을 중심으로 피벗운동함으로써 상기 팬 블레이드가 진동할 수 있도록 자유 단부를 가지고 있고, 상기 와이어 스프링은 상기 팬 블레이드가 진동할 수 있도록 구부러진다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 선형 팬을 제공한다. 상기 선형 팬은 팬 블레이드에 부착된 제1 단부와 팬 프레임에 부착된 제2 단부를 가진 와이어 스프링 및 상기 팬 블레이드의 진동을 구동하기 위한 모터를 포함하고 있고, 상기 팬 블레이드는 상기 와이어 스프링을 중심으로 피벗운동함으로써 상기 팬 블레이드가 진동할 수 있도록 자유 단부를 가지고 있고, 상기 와이어 스프링은 상기 팬 블레이드가 진동할 수 있도록 구부러진다.

본 발명의 특징, 실시형태 및 장점은 아래의 설명과, 아래에 간략히 설명되어 있는 도면에 도시된 예시적인 실시예를 통하여 명확해질 것이다.
도 1은 판금 스프링을 이용하는 팬 블레이드 조립체의 사시도이다.
도 2는 와이어 스프링을 포함하는 팬 블레이드 조립체의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 3은 도 2의 팬 블레이드 조립체에 이용된 코일 스프링의 측면도이다.
도 4는 도 2의 팬 블레이드 조립체의 측면도 및 평면도를 나타내고 있다.
도 5는 팬 블레이드에 대해 다양한 방향으로 장착된 와이어 스프링을 포함하는 팬 블레이드 조립체의 다양한 예시적인 실시예의 측면도를 나타내고 있다.
도 6은 와이어 스프링을 포함하는 팬 블레이드 조립체의 사시도이다.
도 7은 판금 스프링을 이용하는 팬 블레이드 조립체의 사시도이다.
도 8은 도 6 및 도 7의 블레이드 조립체의 나란한 단부도이다.
도 9는 와이어 스프링 및 복수의 팬 블레이드를 포함하는 팬 블레이드 조립체의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 10은 도 9의 팬 블레이드 조립체의 측면도이다.
도 11은 팬 블레이드와 함께 사용하기 위한 와이어 스프링의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 12는 예시적인 팬 블레이드에 연결된 도 11의 와이어 스프링의 사시도이다.

본 명세서에 기술된 실시예는 선형 진동 팬 블레이드 및 스프링을 포함하는 선형 블레이드 조립체를 포함할 수 있는 선형 팬에 관한 것이다. 아래에 추가로 설명되어 있는 바와 같이, 선형 진동 팬 블레이드는, 예를 들면, 전자기 모터에 의해 구동될 수 있다.

도 2는 수직으로 배향되어 있고 브래킷(12)에 의해 팬 블레이드(8)에 견고하게 부착되어 있는 복수의 와이어 코일 스프링(10)을 포함하며, 상기 스프링(10)의 다른 단부는 고정 클램프 블록(stationary clamp block)에 부착되어 있는 선형 팬 블레이드 조립체의 예시적인 실시예를 나타내고 있다. 4개의 스프링이 예시되어 있지만, 다른 실시예는 팬의 치수 및 팬이 사용되는 사용처에 따라 하나 이상의 코일 스프링을 포함할 수 있다. 스프링(10)은 블레이드(8)가 곡선 화살표로 나타낸 것과 같이 피벗운동하고 진동할 수 있게 한다. 스프링(10)은 압축 스프링과 같은 피치를 가지고 있지만, 압축 스프링과는 다르게, 스프링(10)은 도 3에 도시된 바와 같이 측면 방향으로 구부러진다. 스프링(10)은 측면 방향으로 구부러지는 동안 코일(coil turn)들 사이의 접촉을 방지하기에 충분히 큰 코일 피치로 구성되어 있으며, 이는 불안정성, 응력 집중, 표면 손상, 조기 스프링 고장 및 상당한 소음을 유발할 수 있다.

도 2의 블레이드 조립체는 수직으로 장착된 코일 스프링(10)이 블레이드 조립체와 팬 조립체 하위 구성요소의 다양한 치수 팽창 또는 수축을 흡수하기 위해 도 4에 도시된 것과 같이 측면 방향의 x-z 평면에서 구부러질 수 있기 때문에 열팽창 계수(CTE) 불일치 문제를 해결하고, 이것에 의해 서로 다른 열팽창 계수(CTE) 값으로 인한 이러한 구성요소의 변형이나 뒤틀림을 방지한다. 스프링의 x-z 평면에서의 구부러짐은 블레이드의 피벗 스프링으로서의 기능을 전혀 방해하지 않으므로, 블레이드 조립체와 팬 조립체 구성요소들 사이의 잠재적으로 큰 열팽창 계수(CTE) 변동에도 불구하고 팬이 상업적 작동 온도 범위에서 안정적으로 작동할 수 있게 된다.

종래 기술의 선형 팬에 사용되는 전형적인 단일 판금 스프링과 대조적으로, 본 발명의 와이어 스프링은 다음과 같은 추가적인 장점을 제공한다. 와이어 드로잉 공정(wire drawing process)으로 인해, 스틸 와이어 스프링은, 예를 들면, 플래퍼 밸브 스틸(flapper valve steel)과 같은 최고 품질의 강판에 비해 거의 두 배의 극한 인장 강도와 피로 한계를 가진다. 또한, 와이어 스프링은 가장자리 다듬질이 필요하지 않기 때문에 다중 스프링 다리(spring leg) 설계의 상업적 실용성을 가능하게 한다. 이와 대조적으로, 개별 판금 스프링으로 구성된 다중 스프링 다리 방식은 많은 가장자리를 생기게 하여 스프링 다리 수의 2배에 해당하는 다듬질을 요한다.

도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 와이어 스프링은 모든 방향으로 구부러질 수 있으므로, 측면 방향의 구부러짐 모드(lateral bending mode)의 0°(수직)에서 비틀림식 구부러짐 모드(torsional bending mode)의 90°(수평) 또는 중간 각도 θ에 이르는 범위의 스프링 장착 각도에 관계없이 와이어 스프링은 구성요소 열팽창 계수(CTE) 불일치를 관리할 수 있고, 스프링 변형(spring deflection)은 중간 각도 θ의 함수로서 측면 방향의 구부러짐과 비틀림식 구부러짐의 다양한 비율을 포함한다. 따라서, 본 명세서에 기술된 팬 블레이드 조립체는, 예를 들면, 도 5에 도시된 것과 같이 팬 블레이드에 대해 다양한 방향으로 장착된 와이어 스프링을 가진 실시예를 포함한다.

개시된 팬 블레이드 조립체의 다른 중요한 장점은 판금 스프링은 많은 상이한 형태로 성형될 수 없는 반면에 와이어 스프링은 많은 상이한 형태(예를 들면, 코일)로 성형될 수 있다는 것이다. 와이어 스프링 성형에 의해 제공되는 추가적인 설계 치수는 판금 스프링과 비교할 때 주어진 최대 휨 응력(peak bending stress)에 대해 훨씬 더 높은 스프링 강성 K를 제공할 수 있다. 이러한 더 높은 K 값과 더 낮은 휨 응력은 훨씬 더 높은 작동 공진 진동수와 블레이드 변위를 가능하게 하여 훨씬 더 높은 공기 유동률과 압력을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 6과 도 7의 블레이드 조립체는 두 경우 모두에서 동일한 블레이드(18)와 동일한 작동 조건에 대한 스프링 특성을 비교하기 위해서 FEA(Finite Element Analysis: 유한 요소 분석)로 모델링되었다. 도 6의 블레이드 조립체는 0.040인치 두께와 19인치 폭의 알루미늄 블레이드(18)와, 한 단부는 블레이드(18)에 단단히 연결되어 있고 다른 단부는 고정 클램프 블록(16)들 사이에 단단히 고정된 4개의 강철 스프링(10)을 포함하고 있다. 도 7의 블레이드 조립체는 한 단부는 블레이드(18)에 단단히 결합되어 있고 다른 단부는 고정 클램프 블록(22)들 사이에 단단히 고정되어 있는 0.004인치 두께의 강철 판금 스프링을 포함하고 있고, 도 7의 블레이드(18)는 도 6의 블레이드(18)와 동일하다. 작동시에 도 6과 도 7의 블레이드(18)는 자신들의 각각의 스프링을 중심으로 피벗운동함으로써 곡선 화살표로 표시된 것과 같이 진동한다.

유한 요소 분석(FEA)을 위해서, 도 6과 도 7의 블레이드 조립체는 각각의 블레이드가 동일한 블레이드 변위에 대해 동일한 자취 체적(swept volume)을 가지도록 설계되었다. 이러한 등가는 도 6에서 블레이드(18)의 기하학적 피벗점을 아는 것을 요한다. 도 8은 도 6과 도 7의 두 블레이드 조립체의 나란한 단부도를 제공하고 있으며 도 6의 블레이드 조립체에 대한 블레이드 피벗점이 코일 스프링의 중심에 있다는 것을 나타내고 있다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 자취 체적 등가를 제공하기 위해서, 판금 스프링(20)의 높이(H_S)는 코일 스프링 피벗점에서 블레이드의 베이스까지의 거리인 10mm와 같아야 한다.

유한 요소 분석(FEA)은 양 블레이드 조립체에 대해 동일한 공기 흐름을 초래할 동일한 블레이드 변위 및 동일한 작동 진동수에서 도 6 및 도 7의 블레이드 조립체의 스프링 응력을 비교하였다. 공기 유동률은 작동 진동수와 함께 증가하며, 작동 진동수는 스프링 강성과 함께 증가하고 스프링 강성은 판금 두께와 함께 증가한다. 그래서 도 7의 블레이드 조립체에 대해서, 유한 요소 분석(FEA)을 이용하여 8mm의 블레이드 팁 변위에 대해 최대 휨 응력이 700MPa의 판금 피로 한계를 초과하지 않고 사용할 수 있는 최대 스프링 두께를 찾았다. 도 6의 블레이드 조립체에 대해서, 코일 스프링은 두 블레이드 조립체의 공진 진동수를 일치시키기 위해 도 7의 판금 스프링과 동일한 총 스프링 강성을 제공하도록 설계되었다.

아래의 표에 제공된 것과 같이, 유한 요소 분석(FEA) 결과는 동일한 작동 진동수와 블레이드 변위에 대해, 와이어 코일 스프링은 3.7의 안전 계수(즉, 피로 한계를 최대 휨 응력으로 나눈 값)를 가지는 반면에 판금 스프링은 자신의 피로 한계에서 작동하기 때문에 안전 계수를 가지지 않는다는 것을 보여준다.

주어진 블레이드 조립체에 대해, 공기 유동률 및 압력은 공진 진동 진동수를 증가시킴으로써 향상될 수 있으며, 이는 위에서 설명한 바와 같이 스프링 강성의 증가를 필요로 한다. 그러나 도 7의 판금 스프링의 경우, 스프링 강성의 추가적인 증가가 이루어질 수 없는 데, 스프링 강성의 추가적인 증가는 피로 한계를 넘어서 휨 응력을 증가시켜 스프링 파손을 초래하기 때문이다. 이에 비하여, 와이어 코일 스프링을 사용하면 응력 증가없이 총 스프링 강성을 더 높이고 작동 진동수를 더 높이기 위해 도 6의 블레이드 조립체에 동일한 스프링을 더 많이 추가할 수 있다. 예를 들어, 상기 블레이드 조립체는 공진 진동수를 48Hz에서 131Hz로 증가시키는 동일한 코일 스프링 30개를 수용하여, 동일한 8mm의 최대 변위에서 공기 유동률을 2.73배 증가시키고 공기 압력을 7.45배 증가시킬 수 있고 높은 피로 한계로 인해, 8mm를 초과하는 작동 블레이드 변위도 가능하며 이는 공기 유동률을 추가로 증가시킨다. 또한, 큰 응력 안전 계수는 와이어 코일 스프링을 피로 한계를 초과하지 않고 공진 진동수 및 공기 성능(air performance)의 추가 이득과 함께 훨씬 더 높은 강성을 가지도록 설계할 수 있게 한다. 이와 대조적으로, 도 7의 판금 스프링은 블레이드 변위가 증가하면 반드시 파손된다.

도 9는 19인치 길이의 팬 블레이드가 있는 수직 와이어 코일 스프링을 이용하는 고전력 LED 생장촉진등(grow light)용으로 개발된 2-블레이드 선형 팬을 나타내고 있다. 도 10은 도 9에 도시된 선형 팬의 단부도를 제공한다. 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 팬은 팬 프레임(32)에 견고하게 연결된 고정자(26) 및 팬 블레이드(30)에 견고하게 연결된 전기자(28)를 포함하고 있다. 팬 블레이드는 팬 프레임을 따라 평행한 방향으로 뻗어 있다. 다양한 실시예에서, 전기 능동 구성요소(electrically active component)는 상기 프레임이나 블레이드 중 어느 하나에 배치될 수 있고 전기 수동 구성요소(electrically passive component)는 상기 프레임이나 블레이드 중 다른 하나에 상응하게 배치될 수 있다. 작동시, 고정자(26)는 블레이드(30)가 팬 프레임(32)에 가하는 반작용력(reaction force)의 상쇄를 촉진함으로써 팬 진동을 최소화하기 위해 블레이드(28)들이 위상이 180°다르게 진동하도록 전기자(28)에 주기적인 힘을 발생시키는 주기적인 자기장을 생성한다. 주기적인 힘으로 블레이드(30)를 작동시키기 위해 다수의 상이한 모터 위상배치(motor topology)가 사용될 수 있고, 전형적인 예는 발명의 명칭이 고성능 캔틸레버 팬(High Performance Cantilever Fan)인 특허출원 PCT/US17/67658에 제공되어 있으며, 상기 문헌의 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 도 9의 팬은 38Hz에서 작동하며 스프링의 피로 한계를 초과하지 않고 최대 80CFM의 공기 흐름을 전달한다. 와이어 스프링의 사용은 열팽창 계수(CTE) 불일치 문제를 없애고 블레이드 높이(H_B)에 대한 블레이드 폭(W)의 비율이 큰 선형 팬의 안정적인 작동을 가능하게 한다. 도 9의 팬의 블레이드는 높이가 1.6인치이고 길이가 19인치이다. 와이어 스프링을 사용하면 팬의 안정적인 작동을 유지하면서 블레이드 길이를 무한정 늘릴 수 있다.

도 2 내지 도 10의 실시예는 모두 원형 단면 형상을 가진 와이어 스프링을 나타내고 있지만, 와이어가 조기 스프링 고장으로 이어지는 응력 집중부를 만드는 날카로운 가장자리를 가지지 않기만 하면 타원형, 정사각형, 직사각형 또는 비대칭 형상과 같은 임의의 단면 형상이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다. 와이어 단면적, 총 와이어 스프링 길이, 스프링 재료 및 스프링 형태는 모두 당업자에게 잘 알려진 주어진 사용처의 요구 사항을 충족하도록 선택된다.

도 2 내지 도 10의 실시예는 모두 스프링의 각 단부에 부착 다리부(attachment leg)를 가진 코일 형태로 감긴 와이어 스프링을 나타내고 있다. 본 발명의 범위 내의 와이어 스프링은 또한 임의의 수의 스프링 형태로 감길 수 있다. 도 11은 스프링 와이어가 평면 스프링(34)을 형성하도록 감겨 있는 감긴 와이어 스프링 형태의 다른 예를 제공한다. 도 11에 도시된 예시적인 스프링은, 와이어의 짧은 부분이 팬 블레이드나 팬 프레임에 연결된 상태에서 와이어의 긴 부분의 평행한 길이가 팬 블레이드와 팬 프레임 사이에 뻗어 있도록 스프링이 회전된 형태로, 지그재그 또는 구불구불한 형태로 감겨 있다. 도 12에 도시된 예시적인 블레이드 조립체(36)에 나타나 있는 바와 같이, 블레이드(38)의 하단 가장자리는 스프링(34)의 상단에 견고하게 부착되어 있고, 스프링(34)은 스프링(34)의 하단이 고정 상태를 유지하도록 단단히 고정되어 있을 때 팬 작동 중에 보이는 편향된 상태(deflected state)로 도시되어 있다. 스프링을 블레이드에 고정하는 방법에는 클램프 블록, 나사, 리벳 또는 도 11에 시사된 것과 같은 플라스틱 블레이드의 삽입 성형이 포함된다. 도 12 블레이드 조립체의 유한 요소 분석(FEA)은 9mm의 나머지 부분으로부터의 블레이드 팁 변위에서 47.7Hz의 공진 진동수, 2.3의 응력 안전 계수 2.3을 나타낸다. 블레이드 높이(H_B), 두께 및 재질은 도 6 및 도 7의 블레이드(18)와 동일하다.

와이어 스프링은 본 발명의 범위 내에서 무한한 수의 형상과 형태로 형성될 수 있지만 이러한 다양한 사용처-의존적 와이어 스프링 설계(application-dependent wire spring design)에 관계없이 이들은 모두 판금 스프링과 관련된 열팽창 계수(CTE) 불일치 문제를 없애는 것, 와이어 드로잉 공정으로 인해 훨씬 더 높은 스프링 피로 한계를 제공하는 것 그리고 판금 스프링의 가장자리 다듬질과 관련된 수명 및 신뢰성 문제를 제거하는 것을 포함하는 본 발명의 이점을 제공할 것이다.

스프링을 중심으로 피벗운동하는 블레이드를 가진 선형 팬에 대해서, 블레이드의 진동수는 최대 팬 에너지 효율을 위해 블레이드 조립체의 질량-스프링 공진 진동수 또는 이와 근사한 진동수일 것이다. 공진 진동수는 코일 직경, 와이어 직경 및 피치와 같은 파라미터로 코일 스프링의 강성 K를 조정함으로써 또한 블레이드의 질량을 조정함으로써 조절될 수 있다. 발명의 명칭이 고성능 캔틸레버 팬(High Performance Cantilever Fan)인 특허출원 PCT/US17/67658에 개시되어 있는 바와 같이 더 높은 공진 진동수와 더 높은 공기 유동 및 압력을 제공하기 위해 블레이드 조립체의 유효 스프링 K를 더욱 증가시키도록 영구 자석 스프링이 코일 스프링에 추가될 수도 있고, 상기 문헌의 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (20)

1. 선형 팬 블레이드 조립체로서,
   팬 블레이드에 부착된 제1 단부와 팬 프레임에 부착된 제2 단부를 가진 와이어 스프링을 포함하고 있고;
   상기 팬 블레이드는 상기 와이어 스프링을 중심으로 피벗운동함으로써 상기 팬 블레이드가 진동할 수 있도록 자유 단부를 가지고 있고;
   상기 와이어 스프링은 상기 팬 블레이드가 진동할 수 있도록 구부러지는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 와이어 스프링은 적어도 하나의 코일 스프링으로 구성되어 있고, 상기 코일 스프링이 측면 방향으로 구부러지는 동안 스프링 코일이 서로 접촉하지 않도록 하기에 충분한 피치를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코일 스프링이 주로 측면 방향으로 구부러지도록 수직에 대해 0도 각도로 상기 팬 블레이드에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
4. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코일 스프링이 주로 비틀림 방식으로 구부러지도록 수직에 대해 90도 각도로 상기 팬 블레이드에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
5. 제2항에 있어서, 스프링 구부러짐이 측면 방향의 구부러짐 성분과 비틀림 방식 구부러짐 성분 양자 모두를 포함하도록 상기 적어도 하나의 코일 스프링이 0도와 90도가 아닌 임의의 각도로 상기 팬 블레이드에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
6. 제1항에 있어서, 상기 와이어 스프링이 적어도 하나의 평면 스프링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
7. 제1항에 있어서,
   상기 팬 프레임에 부착되는 제2 팬 블레이드 조립체를 더 포함하고 있고;
   제 1 및 제 2 블레이드 조립체가 블레이드 조립체의 각각에 의해 상기 팬 프레임에 가해진 반작용력의 상쇄를 촉진하기 위해 위상이 180도 다르게 진동하는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
8. 제7항에 있어서, 상기 와이어 스프링이 적어도 하나의 코일 스프링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
9. 제7항에 있어서, 상기 와이어 스프링이 적어도 하나의 평면 스프링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
10. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 영구 자석 스프링을 더 포함하고 있고, 상기 적어도 하나의 영구 자석 스프링은 상기 팬 블레이드 조립체의 유효 스프링 강성(K)을 증가시켜서 상기 블레이드 조립체가 더 높은 공진 작동 진동수에서 작동하게 하고 더 높은 공기 유동률 및 공기 압력을 제공하는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
11. 제10항에 있어서, 상기 와이어 스프링이 적어도 하나의 코일 스프링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
12. 제10항에 있어서, 상기 와이어 스프링이 적어도 하나의 평면 스프링으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
13. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 평면 스프링은 긴 부분과 짧은 부분을 가진 지그재그 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
14. 제13항에 있어서, 상기 평면 스프링의 짧은 부분이 상기 팬 블레이드나 상기 팬 프레임에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
15. 선형 팬으로서,
    팬 블레이드에 부착된 제1 단부와 팬 프레임에 부착된 제2 단부를 가진 와이어 스프링; 및
    상기 팬 블레이드의 진동을 구동하기 위한 모터;
    를 포함하고 있고,
    상기 팬 블레이드는 상기 와이어 스프링을 중심으로 피벗운동함으로써 상기 팬 블레이드가 진동할 수 있도록 자유 단부를 가지고 있고;
    상기 와이어 스프링은 상기 팬 블레이드가 진동할 수 있도록 구부러지는 것을 특징으로 하는 선형 팬.
16. 제15항에 있어서, 상기 모터가 상기 프레임에 장착된 고정자와 상기 팬 블레이드에 장착된 전기자를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 팬.
17. 제15항에 있어서,
    제2 팬 블레이드에 부착된 제1 단부와 상기 팬 프레임에 부착된 제2 단부를 가진 제2 와이어 스프링을 더 포함하고 있고, 상기 모터는 제1 및 제2 팬 블레이드를 서로 위상이 180도 다르게 진동하도록 구동시키는 것을 특징으로 하는 선형 팬.
18. 제17항에 있어서, 제1 및 제2 팬 블레이드는 상기 팬 프레임을 따라 평행한 방향으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 선형 팬.
19. 제1항에 있어서, 블레이드 폭(W)이 블레이드 높이(H_B)보다 큰 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.
20. 제19항에 있어서, 블레이드 폭(W)이 블레이드 높이(H_B)의 10배보다 큰 것을 특징으로 하는 선형 팬 블레이드 조립체.

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